地球核心藏有氦氣寶庫？科學家驚人發現

一項突破性的研究顯示，原本被認為是惰性氣體的氦，竟然能在極端壓力下與鐵結合。這項由日本與臺灣研究團隊共同發現的成果，可能徹底改變我們對地球歷史的認知。研究人員利用雷射加熱的金剛石壓砧裝置，首次觀察到氦與鐵的意外結合，暗示地球核心可能蘊藏著大量的氦。這項發現挑戰了長期以來關於地球內部結構與歷史的理論，並可能為我們提供關於太陽系起源的新見解。

火山爆發時，除了噴出岩石與礦物外，還會釋放出一種稀有氣體——原始氦。與常見的氦-4（⁴He）不同，原始氦——氦-3（³He）只含有一個中子，且並非在地球上形成。它的存在為我們提供了關於地球深層內部及其與宇宙起源聯絡的寶貴線索。

過去，研究人員在夏威夷等地的火山岩中發現了較高的³He/⁴He比例，因此認為地函深處可能存在含有³He的原始物質。然而，東京大學地球與行星科學系的Haruki Takezawa與Kei Hirose教授的研究團隊，透過一項熟悉的實驗——壓碎物質，對這一觀點提出了挑戰。

「我多年來一直研究地球深處的地質與化學過程。由於地球內部存在極高的溫度與壓力，我們必須在實驗中模擬這些極端條件。因此，我們經常使用雷射加熱的金剛石壓砧裝置來對樣品施加壓力，以觀察結果。」Hirose教授解釋道。在這項實驗中，他們在約5-55吉帕斯卡的壓力與1,000至近3,000開爾文的溫度下，將鐵與氦一起壓碎。這些壓力相當於大氣壓的50,000至550,000倍，而高溫甚至足以熔化通常用於汽車引擎火花塞的銥。

過去的研究僅發現鐵與氦的微量結合，約為百萬分之七。然而，這次實驗中，研究人員驚訝地發現，被壓碎的鐵化合物中氦的含量高達3.3%，比以往觀察到的數值高出約5,000倍。Hirose教授認為，這至少部分歸因於這組實驗的獨特設計。

「氦在常溫常壓下非常容易逸散，就像我們都看過氣球逐漸萎縮下沉一樣。因此，我們需要一種方法來避免這種情況發生，以便進行測量。」他解釋道。「雖然我們在高溫下進行了材料合成，但化學感測測量卻是在極低溫下進行的。這樣可以防止氦逸散，並讓我們能夠檢測到鐵中的氦。」

這項發現對理解地球起源具有重要意義。氦在地核中的存在表明，年輕的地球可能從圍繞早期太陽系的氫與氦太陽星雲中捕獲了一些氣體。這也意味著，地球上的部分水可能來自於這些古老氣體中的氫，為地球早期發展提供了新的視角。

參考文獻：Haruki Takezawa, Han Hsu, Kei Hirose等人於2025年2月25日發表於《物理評論快報》的論文〈高壓下鐵氦化合物的形成〉。DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.084101

資金來源：本研究由日本學術振興會（JSPS）資助，編號21H04506；Han Hsu則獲得臺灣國家科學及技術委員會的資助，編號NSTC 113-2116-M-008-010、112-2112-M-008-038與111-2112-M-008-032。