جریان هیدروژن در آهن جامد هسته درونی زمین آشکار شد

تصور کنید رودخانه‌هایی بسیار ریز از هیدروژن، در اعماق زیر پای شما از میان آهن جامد عبور می‌کنند. این تصویر شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد، اما پژوهش‌های تازه آزمایشگاهی نشان می‌دهد که در فشارهای خردکننده و گرمای سوزان هسته درونی زمین، هیدروژن می‌تواند درون شبکه بلوری آهن جریان پیدا کند، در حالی که خود آهن همچنان جامد باقی می‌ماند.

پژوهشگران شواهد آزمایشگاهی یافته‌اند که نشان می‌دهد هیدروژن می‌تواند در فشار و دمای بسیار بالا، درون آهن جامد به‌شدت متحرک شود.

کاوش هسته زمین در مقیاس مینیاتوری

برای بررسی ماده در شرایطی که تقریبا در هیچ نقطه‌ای از سطح سیاره وجود ندارد، دانشمندان مؤسسه علوم توکیو بخش کوچکی از شرایط هسته درونی زمین را درون یک سلول سندان الماسی بازسازی کردند. نمونه‌های بسیار کوچک از هیدرید آهن با ساختار مکعبی مرکز وجوه، FeHX، تحت فشارهایی بین ۵۰ تا ۱۱۰ گیگاپاسکال فشرده شدند و با لیزر تا دماهایی بالاتر از ۲٬۰۰۰ کلوین گرم شدند. هم‌زمان، پراش پرتو ایکس سنکروترونی با تفکیک زمانی، تغییرات شبکه بلوری را با افزایش دما و فشار ردیابی کرد.

هیدرید آهن در یک سلول سندان الماسی گرم‌شده با لیزر فشرده شد و با استفاده از پراش پرتو ایکس سنکروترونی تحلیل شد؛ نتیجه، شواهدی از یک حالت سوپریونی را آشکار کرد. 

اهمیت این آرایش آزمایشگاهی در این است که سلول‌های سندان الماسی می‌توانند تنش عظیم درون سیارات را در نمونه‌ای به اندازه چند میلی‌متر شبیه‌سازی کنند و پراش پرتو ایکس سنکروترونی ساختار ماده را با دقتی زیراتمی بخواند. این گروه به سرپرستی دانشجویان دکتری، یوشیهیرو ناگایا و یوسوکه اوکازاکی، همراه با پروفسور کنجی اوتا، تکامل حجم شبکه را در حالی مشاهده کردند که هیدروژن وارد ماتریس آهن می‌شد و درون آن بازآرایی پیدا می‌کرد. در دمای بحرانی نزدیک به ۱٬۵۹۰ کلوین، داده‌ها یک ناهنجاری شاخص به شکل لامبدا در ضریب انبساط حرارتی نشان دادند؛ نشانه‌ای شناخته‌شده از گذار فازی که پیش‌تر در دیگر مواد سوپریونی دیده شده بود.

این ناهنجاری به پژوهشگران امکان داد مرزی میان FeHX جامد معمولی و یک فاز سوپریونی ترسیم کنند؛ فازی که در آن هیدروژن بسیار متحرک می‌شود، اما شبکه آهن تا حد زیادی دست‌نخورده باقی می‌ماند. برون‌یابی این مرز به فشارهای مورد انتظار در هسته درونی زمین، دمای گذار پیش‌بینی‌شده را به‌وضوح پایین‌تر از برآوردهای فعلی دمای هسته درونی قرار می‌دهد. به بیان ساده، شرایط مرکز سیاره ما از شکل سوپریونی آهنِ دارای هیدروژن پشتیبانی می‌کند.

این یافته برای پویایی هسته و سیگنال‌های لرزه‌ای چه معنایی دارد

رفتار سوپریونی فقط یک نکته عجیب علمی نیست. اگر هیدروژن از میان شبکه‌ای آهنی و در ظاهر سخت حرکت کند، ویژگی‌های مکانیکی کل ماده تغییر می‌کند. شبکه‌ای که در برابر برش نرم‌تر شده باشد، می‌تواند برخی مشاهدات گیج‌کننده را توضیح دهد: امواج برشی لرزه‌ای در هسته درونی، در مقایسه با مدل‌های ساده آهن، با سرعتی غیرمنتظره پایین حرکت می‌کنند. عناصر سبک متحرک مانند هیدروژن سازوکاری محتمل فراهم می‌کنند که سختی برشی را کاهش می‌دهد، بی‌آنکه هسته را به‌طور کامل ذوب کند.

این گروه برای آزمودن اینکه آیا هیدروژن واقعا متحرک شده است یا نه، فراتر از نشانه‌های ساختاری رفت. در مجموعه دوم آزمایش‌های پراش پرتو ایکس با تفکیک زمانی، پژوهشگران ولتاژی را در عرض نمونه‌های گرم و تحت فشار اعمال کردند و بازتوزیع ناگهانی هیدروژن را در امتداد محور نمونه مشاهده کردند. سرد کردن سریع نمونه، این بازتوزیع را به دام انداخت و شواهد آزمایشگاهی مستقیمی ارائه داد که نشان می‌داد هیدروژن در مرحله دمای بالا مهاجرت کرده است. بر اساس هندسه نمونه و بایاس اعمال‌شده، پژوهشگران تحرکی در حد ۱ µm2 J^-1 s^-1 برآورد کردند و ضریب نفوذی در حدود 10^3 µm2 s^-1 نتیجه گرفتند.

این اعداد بزرگ به نظر می‌رسند، اما مقیاس و بازه‌های زمانی اهمیت زیادی دارند. مهاجرت ناشی از میدان ژئومغناطیسی زمین طی ۱۰٬۰۰۰ سال، هیدروژن را فقط حدود ۰.۱ میکرومتر جابه‌جا می‌کند. با چنین آهنگی، پیمودن فاصله‌ای هم‌اندازه شعاع هسته درونی، یعنی حدود ۱٬۲۰۰ کیلومتر، بیش از صد برابر سن سیاره زمان می‌برد. بنابراین، هرچند هیدروژن می‌تواند در شرایط هسته درونی درون آهن جریان یابد، در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناسی عملا به دام افتاده باقی می‌ماند. موادی که هنگام شکل‌گیری زمین به آن افزوده شده‌اند، می‌توانند برای تمام عمر سیاره درون هسته محبوس بمانند.

پیامدهای گسترده‌تر و گام‌های بعدی

این آزمایش‌ها قطعه‌ای گمشده از معمای ترکیب هسته درونی زمین را فراهم می‌کنند. پیش از این، فرضیه سوپریونی عمدتا بر شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی و پیش‌بینی‌های نظری استوار بود. شواهد مستقیم آزمایشگاهی این دیدگاه را تقویت می‌کند که عناصر سبک، از جمله هیدروژن، در شکل‌دادن به رفتار مکانیکی، حرارتی و الکترومغناطیسی عمیق‌ترین نواحی زمین نقش دارند.

با این حال پرسش‌هایی باقی مانده است. هسته زمین در عمل چه مقدار هیدروژن می‌تواند در خود جای دهد؟ آیا انتقال سوپریونی با فرآیندهای مغناطیسی یا همرفتی در هسته بیرونی پیوند دارد؟ و اکسیژن، کربن یا سیلیسیم در شرایط مشابه چگونه با فازهای غنی از هیدروژن برهم‌کنش می‌کنند؟ پاسخ به این پرسش‌ها به رویکردهای مکمل نیاز دارد: آزمایش‌های بیشتر در فشارها و دماهای حتی بالاتر، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر نفوذ، و مدل‌های ژئوفیزیکی بهبودیافته که این داده‌های تازه را در پیش‌بینی ناهمسانگردی لرزه‌ای و تکامل هسته وارد کنند.

دیدگاه کارشناس

«این پژوهش گفت‌وگو را از قلمرو نظریه به آزمایش ملموس منتقل می‌کند»، دکتر النا مارکونی، ژئوفیزیک‌دانی که در این مطالعه مشارکت نداشته است، می‌گوید. «مشاهده بازتوزیع هیدروژن در نمونه‌ای که با لیزر گرم شده، شاهدی قانع‌کننده است که فازهای سوپریونی درون سیارات واقعا می‌توانند وجود داشته باشند. این یافته ما را وادار می‌کند مدل‌های پویایی هسته و تاریخچه حرارتی زمین را با نگاهی تازه بازبینی کنیم.»

پروفسور کنجی اوتا و دانشجویانش تأکید می‌کنند که حالت سوپریونی آلیاژهای آهن و عناصر سبک فقط در فشارهای فوق‌العاده بالا و دماهای فوق‌العاده زیاد می‌تواند وجود داشته باشد؛ به همین دلیل تا امروز از مشاهده مستقیم گریخته بود. یافته‌های آنان که در نشریه نیچر ژئوساینس منتشر شده، برای دهه‌ها گمانه‌زنی مبتنی بر شبیه‌سازی یک تکیه‌گاه آزمایشگاهی فراهم می‌کند.

جمع‌بندی

توانایی هیدروژن برای حرکت درون چارچوبی از آهن جامد در شرایطی شبیه هسته زمین، نگاه ما به مرکز زمین را بازتعریف می‌کند. هسته درونی ممکن است بسیار پیچیده‌تر از یک کره ساده آهنی باشد: داربستی سخت که عناصر سبک متحرک از میان آن عبور می‌کنند و بر رفتار لرزه‌ای، تکامل شیمیایی و نگهداری بلندمدت مواد آغازین اثر می‌گذارند. این کشف یادآور آن است که حتی متراکم‌ترین و دور از دسترس‌ترین بخش‌های سیاره ما نیز می‌توانند حرکت‌های درونی شگفت‌انگیزی در خود پنهان کرده باشند.

نکته کلیدی: در شرایط هسته درونی زمین، هیدرید آهن می‌تواند وارد حالت سوپریونی شود؛ حالتی که در آن هیدروژن از میان شبکه جامد آهن جریان می‌یابد و این رفتار اثرات قابل اندازه‌گیری بر ویژگی‌های هسته و تکامل اعماق زمین دارد.