新しいヘリウム化合物が地球の核の秘密を明らかにする

高温高圧下では、電子局在関数マップ上の鉄金属片内の鉄原子（中心が黒い赤い円）間の空間にヘリウム原子（赤い円）が移動します。 （出典：国立中央大学）

宇宙で最も「反応しにくい」元素の 1 つとして知られるヘリウムは、周期表上で最も反応性の低い元素でもあります。他の希ガスと同様に、ヘリウムは電子を容易に獲得したり失ったりしないため、通常は化合物を形成しません。しかし、非常に高い圧力下では、ヘリウムは窒素、ナトリウム、鉄などの他のいくつかの元素と相互作用する可能性があります。

この新しい化合物を作るために、東京大学の物理学者、広瀬敬氏とその同僚は、鉄とヘリウムをダイヤモンドアンビルチャンバーで圧縮した。ダイヤモンドアンビルチャンバーとは、元素を1,000度を超える温度で50,000気圧を超える圧力にさらす高圧装置である。この圧縮プロセスにより、同じ圧力で純粋な鉄の結晶よりも大きな体積を持つ、鉄とヘリウムの両方を含む結晶が生成されます。

科学者たちは、この増加は結晶中の鉄原子間の小さな隙間である格子間にヘリウムイオンが蓄積するためだと考えています。

ヘリウム原子は反応性が低く、極端な条件下でも鉄と直接化学結合を形成しないが、ヘリウム原子を結晶鉄に「詰め込む」化合物は、地球の中心核におけるヘリウムの観測を説明する「手がかり」となる。したがって、地球上のヘリウム原子のほとんどは 2 つの中性子を持ち、ウランなどの元素の放射性崩壊から形成されます。しかし、海洋での火山噴火によっては、中性子を 1 個だけ持つヘリウム原子が放出されることがあります。

これらの原子はビッグバンの直後に初めて生成されました。地球は惑星が形成されるときにこの「原始的」ヘリウムを吸収しました。マグマからヘリウム原子が放出されたことは、地球にかつてヘリウムの原始的な貯蔵庫があったことを示唆しており、この新しい化合物は、鉄を豊富に含む地球の核にヘリウムが含まれている可能性が高いことを示唆している。

これらの発見は、地球物理学的に重要な意味合いを持つだけでなく、希ガス化学においても幅広い応用が期待されます。カリフォルニア大学（米国）の科学者、マオシェン・ミャオ氏によると、ヘリウムやその他の金属を含む化合物の形成は、人類がこれまで考えもしなかった化学的な理解につながる可能性があるという。