私たちの惑星の鼓動する心臓は、地球がどのように形成され、何が創造されたのかを探している科学者にとって謎のままです。 しかし、最近の研究では、地球の中心で見つかったものに迫る激しい圧力を再現することができ、研究者は私たちの惑星の初期の姿や、コアが現在どのように見えるかを垣間見ることができました。
彼らはジャーナルScienceの最近の問題で発見を発表しました。 「どの要素がコアに含まれているかを把握すれば、地球が形成された条件をよりよく理解でき、初期の太陽系の歴史について知ることができます」と、カーネギー科学研究所の地球化学者であるアナト・シャハールは述べましたまた、ワシントンDCで、研究者は、私たち自身の太陽系とそれを超えた他の岩石惑星がどのようになったかを垣間見ることができます。
地球は、約46億年前に、火星サイズの物体から小惑星までのサイズの岩石体の間の無数の衝突によって形成されました。 初期の地球が成長するにつれて、その内部圧力と温度も増加しました。
これは、地球の大部分を構成する鉄が、水素、酸素、炭素などのより軽い元素と化学的に相互作用し、より重い金属がマントルから分離し、惑星の内部に沈んだときに意味を持ちました。 マントルは地球の地殻直下の層であり、この地域を通る溶融岩の動きがプレートテクトニクスを促進します。
科学者は、温度の変化が鉄などの元素のバージョンまたは同位体がコアの一部になる度合いに影響を与える可能性があることを長い間認識しています。 このプロセスは同位体分別と呼ばれます。
ただし、これまでは、圧力はこのプロセスに影響を与える重要な変数とは見なされていませんでした。 「60年代と70年代に、これらの圧力効果を探して実験が行われましたが、どれも見つかりませんでした」と、Deep Carbon Observatoryプログラムの一部であるShaharは言います。 「今では、彼らがテストしていた圧力（約2ギガパスカル[GPa]）が十分に高くなかったことを知っています。」
別のチームによる2009年の論文は、圧力が地球の核となる要素に影響を与えた可能性があることを示唆しました。 そのため、シャハールと彼女のチームはその影響を再調査することにしましたが、最大40 GPaの圧力を達成できる機器を使用することを決定しました。
イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所にある科学省のユーザー施設である米国エネルギー省のAdvanced Photon Sourceで行われた実験では、チームは2つのダイヤモンドのポイント間に水素、炭素または酸素と混合した鉄の小さなサンプルを配置しました。 この「ダイヤモンドアンビルセル」の側面は、圧迫されて大きな圧力が発生しました。
その後、変換された鉄のサンプルに強力なX線が照射されました。 「X線を使用して、鉄相の振動特性を調べます」とShahar氏は言います。 さまざまな振動周波数から、サンプルに含まれている鉄のバージョンがわかりました。
チームが見つけたのは、極端な圧力が同位体分別に影響を与えるということです。 特に、チームは、鉄と水素または炭素との反応（コアに存在すると考えられる2つの要素）が、マントル岩に特徴を残しているはずであることを発見しました。 しかし、その署名は発見されていません。
「したがって、水素と炭素がコアの主要な軽元素であるとは考えていません」とShahar氏は言います。
対照的に、グループの実験によると、鉄と酸素の組み合わせはマントルに痕跡を残さなかったでしょう。 そのため、酸素が地球のコアのより軽い元素の1つである可能性はまだあります。
この調査結果は、酸素とシリコンが地球の核に溶け込んでいる軽元素の大部分を構成しているという仮説を支持している、とカリフォルニア州パサデナのカリフォルニア工科大学の地球物理学者ジョセフ・オルークは述べた。
「酸素とシリコンはマントルに非常に豊富にあり、高温高圧で鉄に溶けることがわかっています」とO'Rourke氏は言います。 「酸素とシリコンは基本的にコアに入ることが保証されているため、水素や炭素のような他の候補の余地はあまりありません。」
シャハールは、彼女のチームが、コアの他の可能な構成要素であるシリコンと硫黄で実験を繰り返す予定だと言いました。 圧力が分別に影響する可能性があることを示したので、グループは圧力と温度の影響を一緒に調べることも計画しています。 「私たちの実験はすべて、室温で固体鉄サンプルを使用して行われました。 しかし、コアの形成中に、すべてが溶けました」とShaharが言いました。
そのような実験からの発見は、系外惑星、または私たち自身の太陽系を超えた惑星に関連があるかもしれない、と科学者は言います。 「太陽系外惑星のため、その表面または大気しか見ることができません」とシャハールは言いました。 しかし、彼らの内部は表面で何が起こるかにどのように影響するのかと彼女は尋ねた。 「これらの質問に対する答えは、惑星に生命があるかどうかに影響します。」
この研究の詳細については、Deep Carbon Observatoryをご覧ください。
編集者注、2016年5月5日：この物語は元々、ワシントンDCでの実験の場所でしたが、イリノイ州の研究室で行われました。
