地球の中心核の奥深くに、その謎の誕生の手がかりが見つかる

地球の年齢が 45 億年であることは半世紀以上前からわかっていたが、カリフォルニア大学デービス校の地質学者 Qing-zhu Yin 氏のような人々にとって、その数字だけでは不十分で、5 の次の数字が何であるかを判断する必要がある。Yin 氏は過去 15 年間、太陽系がどのように形成されたか、つまり、数千万年の間に、塵とガスの混沌とし​​た大きな円盤が、中心の恒星の周りを整然と周回する 8 つの惑星に変化した経緯を解明しようとしてきた。

科学者たちはこの物語についていくつかのバージョンを考案した。1つのバージョンでは、地球は隕石の衝突が激しかった時代から誕生したため、最初は地球全体がマグマの球状の海だったという。もう1つのバージョンでは、そのプロセスはより長期にわたるもので、地球は岩石でできた小さな惑星で、約1000万年ごとに火星サイズの何かがぶつかってくっついて、最終的に火星サイズの物体がすべて衝突するか、火星自体の場合は独自の軌道に落ち着いたという。しかし、どちらのバージョンの物語が正しいのかを解明するには、数千万年の精度で、超激しい惑星衝突の時代がどれほど続いたかを知る必要がある。言い換えれば、地球の歴史を小数点1桁まで解明する必要がある。

地球の正確な年齢の秘密は、地球最古の岩石にあります。科学者は、岩石に含まれる2つの同位体、ウラン238と鉛206の量を測定することで、それらの岩石のおおよその年齢を計算できます。ウラン238は予測可能な速度で鉛206に崩壊するため、2つの同位体の比率から、岩石がどれくらい長い間存在してきたかがわかります。しかし、落とし穴があります。相対的な割合が実際に何を教えてくれるのかを理解するには、科学者はそれぞれの量が最初から正確にどれくらいあったかを知る必要があります。そして、それを理解するには、地球の表面の岩石だけでなく、その下のマントル、そして、ここが厄介なところですが、完全に到達不可能で再現不可能な核にも、ウラン238と鉛206がどれくらいあるかを知る必要があります。

昔々、地球の内核の組成は謎に包まれていました。昔々、1930 年代から 1940 年代にかけて、地球の内核の組成は謎に包まれていました。地震学者は、地球を通過する地震波のデータを使用して、地球の中心は固体の金属でできており、その周囲を厚い半液体の外核が取り囲んでいることを突き止めました。一方、地質学者は、地球の全体的な組成の代理として隕石を使用し、地球の外層には鉄とニッケルがかなり含まれていないことを突き止めました。論理的な結論は、地球の内核は鉄とニッケルでできているというものでした。

もしその結論が正しいなら、研究者は鉄とニッケルの特性に基づいて核に含まれる鉛とウランの量を推測できるだろう。しかし1950年代に核の重力を測定した結果、地球の中心部は鉄とニッケルだけでできているほど密度が高くないことが明らかになった。

「密度不足を補うために、もっと軽い元素が必要だということはわかっていました」と、イェン氏は言う。科学者たちが容疑者リストを作るのにそれほど時間はかからなかった。なぜなら、それらの元素は太陽系に比較的豊富に存在しなければならなかったからだ。「それで、リチウム、ベリリウム、ホウ素などは除外され、酸素、ケイ素、マグネシウム、硫黄、炭素、リン、窒素が残ることになります」とイェン氏は言う。

しかし、その短いリストを超えて対象を絞り込むのはそれほど簡単ではなかった。内核は遠く離れた場所にあり、温度と圧力が極端に高いため、どの元素が内部に残り、どの元素がマントルに押し込まれるかを調べるための有用な観測や実験を行うことは事実上不可能だったのだ。

「そのため、コンピューターシミュレーションが便利になります」と Yin 氏は言います。最近まで、コンピューターには、原子レベルで内核をシミュレートするために必要な複雑な計算を実行するのに十分なパワーがありませんでした。しかし現在、「コンピューターのパワーは、妥当な処理を実行できるレベルにあります。」

中国科学院の尹氏と同僚は、500コアのスーパーコンピューターで3か月間実験を​​行い、内核にどんな元素がどのくらい含まれているかを調べた。彼らが特に興味を持ったのは炭素の測定だった。炭素は、核に存在すると鉛の割合が低くなるという関係がある元素だ。尹氏が発見した炭素が多いほど、核に含まれる鉛の量は少なくなると思われ、鉛が少ないほど地球は古い。

研究チームのこれまでの研究結果から、炭素は核のほんのわずかな部分、つまり重量で1パーセント未満を占めていることが示唆されている。地球の他の部分と比較すると、それでも大量の炭素であり、地球の他の部分全体よりも多いが、核に含まれるより軽い元素のごく一部にすぎない。

これまでのところ、結果は地球創世物語の簡潔なバージョン、つまり太陽系誕生から3000万年後に固体の地球が形成され、その後1億年の間に大きな衝突が1回起こるごとに地球が断続的に成長したという考えを支持している。

ますます高性能になるスーパーコンピューターを使用することで、Yin 氏と彼の同僚、および他の地質学者たちは、 5の右側の空白を埋める方法を把握しつつあります。