Hydrogène dans le noyau terrestre déduit par imagerie neutronique et diffraction

Un réservoir caché du plus léger élément de la Terre

L’hydrogène est surtout connu comme principal composant de l’eau et du Soleil, mais cette étude suggère que d’énormes quantités pourraient aussi être enfermées profondément dans le cœur métallique de notre planète. En recréant les pressions et températures intenses existant loin sous la surface terrestre et en observant le comportement de l’hydrogène dans du fer en fusion, les auteurs offrent une nouvelle fenêtre sur la composition du noyau et sur la formation de notre planète.

Pourquoi le noyau de la Terre semble trop léger

Les ondes sismiques montrent que le noyau terrestre est moins dense qu’une sphère de fer et de nickel purs. Pour expliquer cette « masse manquante », les scientifiques ont proposé que des éléments plus légers, comme le silicium, le soufre, l’oxygène, le carbone et l’hydrogène, soient mélangés au noyau. L’hydrogène est un candidat particulièrement intrigant car il était abondant dans le Système solaire primitif et se dissout facilement dans le fer lorsqu’il est soumis à de très fortes pressions. Cependant, mesurer combien d’hydrogène pénètre réellement dans le fer liquide a été difficile, parce que les hydrures de fer formés sous pression se décomposent lorsqu’on les ramène aux conditions normales.

Observer l’hydrogène dans le fer en fusion

Les chercheurs ont relevé ce défi en utilisant des faisceaux de neutrons, des particules qui traversent facilement les métaux mais sont fortement affectées par l’hydrogène. Dans une source neutronique puissante au Japon, ils ont placé un minuscule échantillon de fer, associé à un matériau riche en hydrogène, à l’intérieur d’une presse multi-enclumes qui l’a comprimé à environ 3–3,5 gigapascals et chauffé jusqu’à 1 400 kelvins, conditions comparables à celles près de la base d’un océan de magma primitif sur la jeune Terre. La diffraction neutronique, qui révèle l’agencement des atomes, a montré quand le fer est passé d’un cristal solide à un état entièrement fondu. L’imagerie neutronique, qui enregistre l’absorption des neutrons par l’échantillon, a révélé combien d’hydrogène était entré dans le fer à chaque étape.

Transformer des ombres neutroniques en chiffres

Pour convertir les images neutroniques en contenu en hydrogène, l’équipe a d’abord étalonné comment l’absorption de masse des neutrons variait lorsque l’on ajoutait de l’hydrogène au fer solide. Ils ont montré que l’absorption augmentait presque linéairement avec la fraction d’hydrogène, ce qui leur a permis d’établir une courbe de conversion simple. Pour le fer en fusion, la densité n’étant pas directement connue, ils ont combiné leurs mesures avec des simulations numériques avancées de l’hydrure de fer liquide reliant pression, température et composition à la densité. En assemblant ces éléments, ils ont déduit que le fer liquide à 3,4 gigapascals et 1 400 kelvins peut contenir environ 0,17 % en poids d’hydrogène.

De la capsule de laboratoire au noyau planétaire

Ensuite, les auteurs ont utilisé une forme modifiée d’une loi classique, la loi de Sieverts, qui relie la quantité d’hydrogène dissous dans un métal à la pression d’hydrogène ambiante et à la température. Ancrés par leur résultat expérimental, ils ont calculé combien d’hydrogène le fer en fusion pourrait absorber à la base d’un océan de magma profond sous une atmosphère primordiale riche en hydrogène. Dans ces conditions favorables, ils estiment que le liquide formant le noyau pourrait avoir contenu environ 0,6 à 0,7 % en poids d’hydrogène. Lorsque le noyau s’est ensuite séparé en une enveloppe externe liquide et une sphère interne solide, l’hydrogène a préféré la phase liquide, rendant l’enveloppe externe plus riche en hydrogène que le noyau interne.

Ce que cela signifie pour l’intérieur profond de la Terre

En utilisant des modèles standards de l’intérieur terrestre, l’équipe traduit ces pourcentages en un bilan frappant : le noyau pourrait stocker 72 à 87 fois plus d’hydrogène que l’ensemble des océans actuels. Dans leur scénario, le noyau externe seul contiendrait l’équivalent de 70 à 85 océans en hydrogène, tandis que le noyau interne renfermerait une part plus petite, mais toujours significative. De telles quantités peuvent expliquer plus de la moitié du déficit de densité observé du noyau externe si l’hydrogène était le seul élément léger présent. En réalité, d’autres éléments se joignent presque certainement à l’hydrogène, mais ce travail montre que l’hydrogène ne peut plus être considéré comme un acteur mineur dans la structure et l’évolution de la région la plus profonde de la Terre.

Un nouvel élément dans l’histoire de l’origine de la Terre

Pour un non-spécialiste, le message clé est que le noyau terrestre pourrait être un énorme réservoir caché d’hydrogène, rivalisant avec ou dépassant l’eau présente à la surface. En mesurant directement l’hydrogène dans le fer en fusion dans des conditions réalistes plutôt qu’en se fiant à des indices indirects, cette étude renforce l’idée que l’atmosphère riche en hydrogène et le manteau en fusion de la jeune Terre ont alimenté d’importantes quantités du plus léger élément vers le noyau en formation. Cette réserve discrète d’hydrogène continue d’influencer la planète aujourd’hui par son effet sur la densité, la dynamique et le comportement magnétique du noyau.

Citation: Takahashi, N., Sakamaki, T., Hattori, T. et al. Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction. Sci Rep 16, 14162 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

Mots-clés: Noyau terrestre, hydrogène dans le fer, expériences aux neutrons, océan de magma, formation planétaire