Nghiên cứu mới cho thấy heli nguyên thủy từ buổi đầu của hệ mặt trời có thể bị kẹt bên trong lõi rắn của Trái đất. Những phát hiện này có thể có ý nghĩa đối với cuộc tranh luận lâu dài về tốc độ hình thành hành tinh của chúng ta.
Dạng heli hiếm này được gọi là heli-3 vì nó có hai proton và một neutron trong hạt nhân. Heli thông thường, phổ biến hơn heli-3 700.000 lần, được gọi là heli-4 vì nó có hai proton và hai neutron. Trong khi heli-4 là sản phẩm phổ biến của quá trình phân rã các nguyên tố phóng xạ, heli-3 hầu như hoàn toàn đến từ đám mây bụi và khí ban đầu hình thành nên hệ mặt trời.
Nguyên tố nguyên thủy này đã được biết là tồn tại bên trong Trái đất. Mỗi năm, khoảng 4,4 pound (2 kg) heli-3 rò rỉ ra khỏi các sống núi giữa đại dương nơi lớp vỏ đang tách ra và ra khỏi các điểm nóng núi lửa khai thác magma từ lớp phủ sâu. Nhưng chính xác thì nó vẫn nằm bên trong hành tinh trong hàng tỷ năm như thế nào vẫn là một bí ẩn dai dẳng.
Heli là một loại khí rất nhẹ, và hầu hết các loại khí dễ bay hơi đều đã thoát khỏi lớp phủ từ lâu, bị thổi bay trong vụ va chạm khổng lồ hình thành nên mặt trăng hoặc bị đẩy lên bề mặt bởi các chuyển động không thể tránh khỏi của kiến tạo mảng.
Các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng có lẽ heli nguyên thủy này bị nhốt trong lõi Trái đất, nơi nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn lớn và chỉ rò rỉ ra bề mặt rất chậm. Nhưng lõi chủ yếu là sắt, và heli và sắt thường không hòa trộn với nhau.
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Kei Hirose, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Tokyo, và các đồng nghiệp của họ đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ và áp suất dự kiến trong lõi, hai nguyên tố này thực sự hòa trộn với nhau. Trên thực tế, sắt rắn ở nhiệt độ và áp suất cao có thể chứa tới 3,3% heli, các nhà nghiên cứu đã báo cáo vào ngày 25 tháng 2 trên tạp chí Physical Review Letters.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra khả năng tương thích này bằng cách nung nóng sắt và heli ở nhiệt độ từ 1.340 đến 4.940 độ F (727 đến 2.727 độ C, hoặc 1.000 đến 3.000 kelvin) trong khi nén các nguyên tố bằng đe đầu kim cương đến áp suất gấp 50.000 đến 550.000 lần áp suất tại bề mặt Trái Đất. Sau đó, họ giảm áp các mẫu ở nhiệt độ cực thấp và đo cấu trúc tinh thể của chúng. Phương pháp này có khả năng ngăn chặn sự thoát khí heli trong giai đoạn đo lường, Hirose cho biết trong tuyên bố.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng heli-4 thông thường trong các thí nghiệm của họ, nhưng heli-3 có khả năng sẽ hoạt động rất giống, theo Peter Olson, một nhà địa vật lý tại Đại học New Mexico, người không tham gia vào nghiên cứu này nhưng nghiên cứu về lõi Trái Đất. Olson nói với Live Science rằng những phát hiện này xác nhận rằng heli có thể bị khóa trong lõi rắn bên trong của Trái Đất trong một thời gian dài, nhưng ông cảnh báo rằng chỉ có 4% lõi là rắn.
"Điều này có ý nghĩa quan trọng, vì nó cho thấy heli tương thích với pha rắn của lõi", Olson nói. "Nhưng vì lõi gần như chắc chắn hình thành ở trạng thái lỏng, nên cần phải làm nhiều việc hơn nữa để chứng minh rằng cùng một cách giải thích có thể áp dụng cho phần lỏng".
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các mảnh tiểu hành tinh được đưa đến Trái đất giúp tiết lộ cách các hành tinh và mặt trăng trong hệ mặt trời của chúng ta phát triển
— Các nhà khoa học vô tình phát hiện ra lõi bên trong của Trái đất không rắn chắc như mong đợi
— Sao Hỏa có thể có lõi bên trong rắn chắc giống như Trái đất
Việc tìm ra cách heli-3 được đưa vào lõi trong quá trình hình thành Trái đất là rất quan trọng để hiểu được thời điểm hành tinh này hình thành, Olson cho biết. Các loại khí nhẹ như heli tồn tại trong tinh vân khí và bụi hình thành nên hệ mặt trời chỉ trong vài triệu năm.
"Người ta vẫn đang tranh luận rất nhiều về thời gian hình thành Trái đất", Olson cho biết. "Có bằng chứng khác được giải thích là Trái Đất hình thành rất chậm, mất 100 triệu năm. Bạn sẽ không tìm thấy nhiều heli ở sâu trong Trái Đất nếu Trái Đất hình thành chậm như vậy."
Nói cách khác, nếu các nhà khoa học có thể chứng minh rằng lõi Trái Đất chứa nhiều heli-3, điều đó sẽ cho thấy hành tinh này hình thành nhanh chóng, giải quyết cuộc tranh luận lâu đời về sự ra đời của hệ mặt trời.
Dạng heli hiếm này được gọi là heli-3 vì nó có hai proton và một neutron trong hạt nhân. Heli thông thường, phổ biến hơn heli-3 700.000 lần, được gọi là heli-4 vì nó có hai proton và hai neutron. Trong khi heli-4 là sản phẩm phổ biến của quá trình phân rã các nguyên tố phóng xạ, heli-3 hầu như hoàn toàn đến từ đám mây bụi và khí ban đầu hình thành nên hệ mặt trời.
Nguyên tố nguyên thủy này đã được biết là tồn tại bên trong Trái đất. Mỗi năm, khoảng 4,4 pound (2 kg) heli-3 rò rỉ ra khỏi các sống núi giữa đại dương nơi lớp vỏ đang tách ra và ra khỏi các điểm nóng núi lửa khai thác magma từ lớp phủ sâu. Nhưng chính xác thì nó vẫn nằm bên trong hành tinh trong hàng tỷ năm như thế nào vẫn là một bí ẩn dai dẳng.
Heli là một loại khí rất nhẹ, và hầu hết các loại khí dễ bay hơi đều đã thoát khỏi lớp phủ từ lâu, bị thổi bay trong vụ va chạm khổng lồ hình thành nên mặt trăng hoặc bị đẩy lên bề mặt bởi các chuyển động không thể tránh khỏi của kiến tạo mảng.
Các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng có lẽ heli nguyên thủy này bị nhốt trong lõi Trái đất, nơi nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn lớn và chỉ rò rỉ ra bề mặt rất chậm. Nhưng lõi chủ yếu là sắt, và heli và sắt thường không hòa trộn với nhau.
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Kei Hirose, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Tokyo, và các đồng nghiệp của họ đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ và áp suất dự kiến trong lõi, hai nguyên tố này thực sự hòa trộn với nhau. Trên thực tế, sắt rắn ở nhiệt độ và áp suất cao có thể chứa tới 3,3% heli, các nhà nghiên cứu đã báo cáo vào ngày 25 tháng 2 trên tạp chí Physical Review Letters.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra khả năng tương thích này bằng cách nung nóng sắt và heli ở nhiệt độ từ 1.340 đến 4.940 độ F (727 đến 2.727 độ C, hoặc 1.000 đến 3.000 kelvin) trong khi nén các nguyên tố bằng đe đầu kim cương đến áp suất gấp 50.000 đến 550.000 lần áp suất tại bề mặt Trái Đất. Sau đó, họ giảm áp các mẫu ở nhiệt độ cực thấp và đo cấu trúc tinh thể của chúng. Phương pháp này có khả năng ngăn chặn sự thoát khí heli trong giai đoạn đo lường, Hirose cho biết trong tuyên bố.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng heli-4 thông thường trong các thí nghiệm của họ, nhưng heli-3 có khả năng sẽ hoạt động rất giống, theo Peter Olson, một nhà địa vật lý tại Đại học New Mexico, người không tham gia vào nghiên cứu này nhưng nghiên cứu về lõi Trái Đất. Olson nói với Live Science rằng những phát hiện này xác nhận rằng heli có thể bị khóa trong lõi rắn bên trong của Trái Đất trong một thời gian dài, nhưng ông cảnh báo rằng chỉ có 4% lõi là rắn.
"Điều này có ý nghĩa quan trọng, vì nó cho thấy heli tương thích với pha rắn của lõi", Olson nói. "Nhưng vì lõi gần như chắc chắn hình thành ở trạng thái lỏng, nên cần phải làm nhiều việc hơn nữa để chứng minh rằng cùng một cách giải thích có thể áp dụng cho phần lỏng".
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các mảnh tiểu hành tinh được đưa đến Trái đất giúp tiết lộ cách các hành tinh và mặt trăng trong hệ mặt trời của chúng ta phát triển
— Các nhà khoa học vô tình phát hiện ra lõi bên trong của Trái đất không rắn chắc như mong đợi
— Sao Hỏa có thể có lõi bên trong rắn chắc giống như Trái đất
Việc tìm ra cách heli-3 được đưa vào lõi trong quá trình hình thành Trái đất là rất quan trọng để hiểu được thời điểm hành tinh này hình thành, Olson cho biết. Các loại khí nhẹ như heli tồn tại trong tinh vân khí và bụi hình thành nên hệ mặt trời chỉ trong vài triệu năm.
"Người ta vẫn đang tranh luận rất nhiều về thời gian hình thành Trái đất", Olson cho biết. "Có bằng chứng khác được giải thích là Trái Đất hình thành rất chậm, mất 100 triệu năm. Bạn sẽ không tìm thấy nhiều heli ở sâu trong Trái Đất nếu Trái Đất hình thành chậm như vậy."
Nói cách khác, nếu các nhà khoa học có thể chứng minh rằng lõi Trái Đất chứa nhiều heli-3, điều đó sẽ cho thấy hành tinh này hình thành nhanh chóng, giải quyết cuộc tranh luận lâu đời về sự ra đời của hệ mặt trời.
