De kern van de aarde bestaat voornamelijk uit een enorme bal van vloeibaar metaal die zich op 3000 km onder het oppervlak bevindt, omgeven door een mantel van hete rots. Opmerkelijk, op zulke grote diepten, zowel de kern als de mantel zijn onderhevig aan extreem hoge drukken en temperaturen. Verder, onderzoek wijst uit dat de langzaam kruipende stroom van hete, drijvende rotsen - die enkele centimeters per jaar beweegt - warmte wegvoert van de kern naar het oppervlak, resulterend in een zeer geleidelijke afkoeling van de kern over de geologische tijd. Echter, de mate waarin de kern van de aarde is afgekoeld sinds de vorming ervan is een onderwerp van intens debat onder aardwetenschappers.

In 2013 Kei Hirose, nu directeur van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), meldde dat de kern van de aarde mogelijk met wel 1000 ° C is afgekoeld sinds de vorming 4,5 miljard jaar geleden. Deze grote hoeveelheid koeling zou nodig zijn om het aardmagnetisch veld in stand te houden, tenzij er nog een nog onontdekte energiebron was. Deze resultaten waren een grote verrassing voor de diepe aardse gemeenschap, en creëerde wat Peter Olson van de Johns Hopkins University noemde, "de nieuwe kernhitteparadox", in een artikel gepubliceerd in Science.

Kernkoeling en energiebronnen voor het aardmagnetische veld waren niet de enige moeilijke problemen waarmee het team te maken had. Een andere onopgeloste kwestie was de onzekerheid over de chemische samenstelling van de kern. "De kern is meestal ijzer en wat nikkel, maar bevat ook ongeveer 10% lichte legeringen zoals silicium, zuurstof, zwavel, koolstof, waterstof, en andere verbindingen, "Hirose, hoofdauteur van de nieuwe studie die in het tijdschrift wordt gepubliceerd Natuur . "We denken dat er veel legeringen tegelijk aanwezig zijn, maar we weten niet het aandeel van elk kandidaat-element."

Nutsvoorzieningen, in dit laatste onderzoek uitgevoerd in het laboratorium van Hirose bij ELSI, de wetenschappers gebruikten precisiegeslepen diamanten om minuscule stofmonsters te persen tot dezelfde druk die in de kern van de aarde bestaat (Fig. 1). De hoge temperaturen in het binnenste van de aarde werden gecreëerd door monsters te verhitten met een laserstraal. Door experimenten uit te voeren met een reeks waarschijnlijke legeringssamenstellingen onder verschillende omstandigheden, Hirose's en collega's proberen het unieke gedrag van verschillende legeringscombinaties te identificeren die overeenkomen met de verschillende omgeving die in de kern van de aarde bestaat.

Het zoeken naar legeringen begon bruikbare resultaten op te leveren toen Hirose en zijn medewerkers meer dan één legering begonnen te mengen. "Vroeger, het meeste onderzoek naar ijzerlegeringen in de kern heeft zich alleen gericht op het ijzer en een enkele legering, " zegt Hirose. "Maar in deze experimenten hebben we besloten om twee verschillende legeringen te combineren die silicium en zuurstof bevatten, waarvan we sterk geloven dat ze in de kern bestaan."

De onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat toen ze de monsters in een elektronenmicroscoop onderzochten, de kleine hoeveelheden silicium en zuurstof in het uitgangsmonster waren samengevoegd om siliciumdioxidekristallen te vormen (figuur 2) - dezelfde samenstelling als het mineraalkwarts dat aan het aardoppervlak wordt gevonden.

"Dit resultaat bleek belangrijk voor het begrijpen van de energie en de evolutie van de kern, " zegt John Hernlund van ELSI, een co-auteur van de studie. "We waren enthousiast omdat onze berekeningen aantoonden dat kristallisatie van siliciumdioxidekristallen uit de kern een immense nieuwe energiebron zou kunnen zijn voor het aandrijven van het magnetische veld van de aarde." De extra boost die het biedt, is voldoende om de paradox van Olson op te lossen.

Het team heeft ook de implicaties van deze resultaten voor de vorming van de aarde en de omstandigheden in het vroege zonnestelsel onderzocht. Kristallisatie verandert de samenstelling van de kern door geleidelijk opgelost silicium en zuurstof te verwijderen. Uiteindelijk zal het kristallisatieproces stoppen wanneer de kern zijn oude voorraad van silicium of zuurstof opraakt.

"Ook al heb je silicium, je kunt geen siliciumdioxidekristallen maken zonder ook wat zuurstof beschikbaar te hebben", zegt ELSI-wetenschapper George Helffrich, die het kristallisatieproces voor deze studie heeft gemodelleerd. "Maar dit geeft ons aanwijzingen over de oorspronkelijke concentratie van zuurstof en silicium in de kern, omdat slechts enkele silicium:zuurstofverhoudingen compatibel zijn met dit model."