Редкая форма гелия могла заполнить ядро Земли во время формирования планеты на горячей, ранней стадии развития нашей Солнечной системы, говорится в исследовании, опубликованном на этой неделе. Измерение содержания гелия и других газов в глубине Земли может дать важные подсказки о том, как формировалась Земля и другие планеты. Если новая модель верна, то рождение нашей планеты могло быть более стремительным, чем предполагали ученые ранее.
Точный способ формирования Земли все еще остается "нерешенным вопросом", - говорит Закари Шарп, геохимик из Университета Нью-Мексико и автор исследования, опубликованного в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Обычно ученые считают, что прото-Земля и другие планеты в ранней Солнечной системе формировались постепенно, по мере накопления пыли, слипаясь во все более крупные куски, говорит он. Но древний гелий, запертый глубоко в Земле, может свидетельствовать о другом.
Ключом к пониманию этой истории является редкий изотоп под названием гелий-3. Существует два различных типа атомов гелия, называемых гелий-3 и гелий-4, которые отличаются по массе на один нейтрон. Гелий-4 может образовываться на Земле в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов, но наша планета имеет ограниченный запас гелия-3, который был заперт в Земле при ее образовании, говорит Шарп. Этот древний гелий-3 составляет крошечную долю процента от всего земного гелия. Ежегодно из глубоких недр Земли выходит так мало гелия-3, что этого газа хватило бы только на наполнение примерно 50 воздушных шаров, говорит Шарп.
В ранней Солнечной системе было облако газа и пыли в центре Солнца, называемое солнечной туманностью, которое, по мнению большинства исследователей, рассеялось через миллион или два миллиона лет, говорит Шарп. На протяжении десятилетий основным объяснением астрономов было то, что зерна пыли в туманности сливались в более крупные частицы. Они становились все больше и больше, пока не образовали объекты размером в километры, которые затем врезались друг в друга "как бамперные автомобили", - говорит Шарп, - и в конечном итоге увеличились до размеров планеты.
Но Шарп и его соавтор, Питер Олсон, предложили новую модель альтернативной, давно обсуждаемой идеи создания Земли и других планет: По словам Шарпа, эти миры "быстро сформировались в присутствии солнечной туманности. Маленькие, размером с гальку, кусочки должны были устремиться к Солнцу со всех концов Солнечной системы. Затем, когда протопланеты обращались вокруг Солнца, они подбирали эти камешки и быстро наращивали свою массу - примерно за два миллиона лет, пока туманность еще существовала, а не через несколько миллионов лет после ее исчезновения.
В этом более быстром сценарии гравитация Земли втянула бы плотную, толстую и высокотемпературную атмосферу из солнечной туманности. Земля была бы горячей, на ее поверхности находился бы "океан магмы", говорит Шарп.
В таких условиях газы, содержащиеся в атмосфере, растворяются в океане магмы. Шарп сравнивает этот эффект с внутренней частью банки содовой, где высокое давление заставляет углекислый газ находиться внутри газировки. Затем - подобно тому, как газировка становится плоской, если ее оставить открытой, - когда окружающее давление исчезает, атмосферные газы постепенно высвобождаются.
По словам Шарпа, он и Олсон поняли, что поскольку в этот магматический океан под высоким давлением атмосферы было вытеснено так много гелия, этот элемент со временем перемешается по всей Земле и застрянет в ее металлическом ядре.
Они считают, что гелий проходит весь путь от ядра до мантии и "сочится из Земли" из срединно-океанических хребтов, где тектонические плиты раздвигаются. Этот гелий также выходит из "горячих точек" в таких местах, как Гавайи, Йеллоустоун и Исландия, где шлейфы магмы поднимаются из глубин земли, говорит Шарп. Гелий настолько легкий, что он поднимается высоко в атмосферу и теряется в космосе. Если гелий-3 улетучивается таким образом, то при постепенном формировании Земли будет трудно объяснить, как этот газ оказался в ловушке в ядре, говорит Шарп.
"Если их модель верна, то это означает, что Земля сформировалась в присутствии солнечных небулярных газов", то есть водорода и гелия, говорит Фрэнсис Ниммо, планетарный ученый из Университета Санта-Круз, который не принимал участия в исследовании. Это, в свою очередь, означает, что Земля должна была сформироваться быстро - быстрее, чем, по мнению ученых, она сформировалась в настоящее время, говорит Ниммо.
Ниммо отмечает, что "в статье делается много предположений" об условиях в ранней Солнечной системе и прото-Земле, которые другие исследователи, вероятно, изучат и разберут в дальнейшей работе. Например, они могут собрать больше экспериментальных доказательств того, насколько легко растворить гелий в металлах при высоких температурах и давлениях, как это, по мнению Шарпа и Олсона, происходило в магматическом океане Земли.
То, что это исследование расскажет нам о формировании Земли, также будет иметь значение для изучения звезд и экзопланет в других частях Вселенной, говорит Шарп. Возможно, планеты в других солнечных системах тоже быстро сформировались в газовых яслях вокруг молодых звезд.