Желязото в ядрото на Земята може да е кубично

Желязото в центъра на Земята може да не е подредено така, както пишат учебниците. Международен екип, който работи на европейския рентгенов лазер European XFEL край Хамбург, е наблюдавал в желязо под налягане над 230 GPa поява на обемноцентрирана кубична (bcc) решетка — структура, която досега не беше потвърждавана при такива условия. Резултатът излезе в Physical Review B (том 114, статия 094103) на 10 август 2026 г., а на 22 октомври списание Science му посвети анализ за това какво означава той за модела на вътрешното ядро.

Какво точно е измерено

Експериментът е част от проекта HotCores на геофизика Себастиен Меркел от Университета в Лил, а първи автор на статията е Зузана Конъпкова от European XFEL. Схемата е концептуално проста и технически брутална: парченце желязо, по-тънко от човешки косъм, се притиска между върховете на две диамантени наковални, а след това се нагрява с влак от рентгенови импулси с продължителност около 30 фемтосекунди и честота в мегахерцовия диапазон. Същите импулси се разсейват от атомите и дават дифракционна картина — моментна снимка на подредбата им.

Резултатите се разделят на две:

• При 120–160 GPa желязото остава в очакваната хексагонална плътна (hcp) опаковка, като се появяват кратки, преходни или безредни състояния, включително bcc и структури с дефекти в подреждането на слоевете.
• При 233–246 GPa и температури 4000–5000 K (над 2,3 милиона атмосфери) се появява нова дифракционна линия, характерна за bcc решетка — и тя не е мимолетна.

Авторите описват фазата като „ентропийно стабилизирана” — тоест при високи температури безредието в кристала става толкова важно, че кубичната подредба печели пред хексагоналната. Циклите на бързо нагряване и охлаждане са позволили да бъдат заснети и междинните състояния по пътя на превръщането.

Защо това има значение за цялата планета

Вътрешното ядро е твърда сфера от желязо с примеси, при налягания от около 330 GPa на границата с външното ядро до близо 360 GPa в центъра и температури в диапазона 5000–6000 K. Никой не може да го вземе в ръка — всичко, което знаем, идва от сеизмични вълни, лабораторни експерименти и симулации. А как интерпретираме сеизмичните данни зависи пряко от това каква е кристалната решетка.

Кубичната подредба провежда топлината различно от хексагоналната. Това влияе на две неща, които са в основата на историята на планетата: кога вътрешното ядро е започнало да кристализира и с какъв темп е изхвърляло топлина и леки елементи в разтопеното външно ядро. Именно тези потоци задвижват геодинамото, което поддържа магнитното поле на Земята. Различната структура означава и различно обяснение за сеизмичната анизотропия — наблюдението, че вълните минават през ядрото с различна скорост в различни посоки.

Къде е предпазливостта

Авторите сами не твърдят, че въпросът е приключил. Най-високите постигнати налягания — около 246 GPa — все още са под тези във вътрешното ядро, а bcc фазата се появява близо до точката на топене, което не е автоматично същата ситуация като в дълбочина. Теорията също не е единодушна: симулации по метода на молекулната динамика, публикувани в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, намират bcc желязото за механично стабилно, но термодинамично по-неизгодно при условията на ядрото. Разликите в енергията между hcp, fcc и bcc са толкова малки, че различните методи дават различни отговори от години.

Силната страна на новия резултат е, че е експериментален и че е направен с инструмент, който преди не беше наличен — само European XFEL дава влакове от твърди рентгенови импулси с мегахерцова честота (4,5 MHz), които едновременно нагряват пробата в диамантените наковални и връщат дифракционна картина при всеки импулс.

Дълбочината остава изненадваща

Същата седмица дойде и втори резултат от същата област. Екип на Lawrence Livermore National Laboratory и Университета Джонс Хопкинс публикува в Physical Review X (19 октомври) 12-годишна работа върху магнезиев оксид — основен минерал в най-дълбоката земна мантия. Оказва се, че посоката, в която притискаш кристала, има значение дори при налягания, двойно по-високи от тези в центъра на Земята. При опитите с лазерите Omega в Университета в Рочестър материалът е компресиран до 600 GPa и се топи при около 572 GPa и 13 200 K — най-високата измервана експериментално температура на топене за известен материал.

Допълнителен щрих: наскоро в Science Advances беше описано как водород вероятно е изтичал от ядрото към мантията в продължение на милиарди години, с отпечатък в базалти от остров Бафин и Исландия.

Заключение

Новото измерване не отменя досегашния модел, а показва, че той е стоял на по-слаба основа, отколкото изглеждаше. Ако bcc фазата се потвърди и при 330 GPa, ще се наложи да бъдат преизчислени топлинният баланс на ядрото и възрастта на вътрешната сфера — а оттам и част от историята на магнитното поле, което ни пази от космическата радиация. Както при първата зелена звезда, и тук интересното е, че „добре установеното” издържа само докато не го измерим по-добре.