Idrogeno nel nucleo terrestre dedotto tramite imaging e diffrazione neutronica

Un deposito nascosto dell’elemento più leggero della Terra

L’idrogeno è noto soprattutto come componente principale dell’acqua e del Sole, ma questo studio suggerisce che enormi quantità potrebbero essere intrappolate anche nel profondo cuore metallico del nostro pianeta. Ricreando le intense pressioni e temperature presenti lontano sotto la superficie terrestre e osservando il comportamento dell’idrogeno all’interno del ferro fuso, gli autori offrono una nuova finestra sulla composizione del nucleo e su come il nostro pianeta si sia formato.

Perché il nucleo terrestre sembra troppo leggero

Le onde sismiche rivelano che il nucleo terrestre è meno denso di una sfera di puro ferro e nichel. Per spiegare questa massa “mancante”, gli scienziati hanno proposto che elementi più leggeri come silicio, zolfo, ossigeno, carbonio e idrogeno siano mescolati al nucleo. L’idrogeno è un candidato particolarmente interessante perché era abbondante nel Sistema Solare primordiale e si dissolve facilmente nel ferro se sottoposto a pressioni molto elevate. Tuttavia, misurare quanto idrogeno entri effettivamente nel ferro liquido è stato difficile, perché gli idruri di ferro che si formano sotto pressione si disfano quando riportati a condizioni normali.

Osservare l’idrogeno nel ferro fuso

I ricercatori hanno affrontato questa sfida usando fasci di neutroni, particelle che attraversano facilmente i metalli ma sono fortemente influenzate dall’idrogeno. In una potente sorgente di neutroni in Giappone, hanno posto un minuscolo campione di ferro, insieme a un materiale ricco di idrogeno, all’interno di una pressa multi-incudine che lo ha compresso a circa 3–3,5 gigapascal e riscaldato fino a 1400 kelvin, condizioni simili a quelle vicino alla base di un oceano di magma primordiale della giovane Terra. La diffrazione neutronica, che rivela come sono disposti gli atomi, ha mostrato quando il ferro è passato da un cristallo solido a uno stato completamente fuso. L’imaging neutronico, che registra quanto fortemente il campione assorbe i neutroni, ha rivelato quanto idrogeno era entrato nel ferro a ciascuna fase.

Trasformare le ombre neutroniche in numeri

Per tradurre le immagini neutroniche in contenuto di idrogeno, il team ha prima calibrato come l’assorbimento di massa dei neutroni cambiava all’aumentare dell’idrogeno aggiunto al ferro solido. Hanno dimostrato che l’assorbimento aumentava quasi linearmente con la frazione di idrogeno, permettendo di costruire una semplice curva di conversione. Per il ferro fuso la densità non è direttamente nota, quindi hanno combinato le loro misure con avanzate simulazioni al computer dell’idruro di ferro liquido che collegano pressione, temperatura e composizione alla densità. Mettendo insieme questi elementi, hanno dedotto che il ferro liquido a 3,4 gigapascal e 1400 kelvin può contenere circa lo 0,17 percento in peso di idrogeno.

Dalla capsula di laboratorio al nucleo planetario

Successivamente, gli autori hanno usato una forma modificata di una legge classica, la legge di Sieverts, che collega quanto idrogeno si dissolve in un metallo alla pressione e alla temperatura dell’idrogeno circostante. Ancorati dal loro risultato sperimentale, hanno calcolato quanto idrogeno il ferro liquido potesse assorbire alla base di un profondo oceano di magma sotto un’atmosfera primordiale ricca di idrogeno. In queste condizioni favorevoli, stimano che il ferro liquido che ha formato il nucleo potrebbe aver contenuto circa lo 0,6–0,7 percento in peso di idrogeno. Quando il nucleo si è poi separato in un involucro esterno liquido e una sfera interna solida, l’idrogeno avrebbe preferito la fase liquida, lasciando il nucleo esterno più ricco di idrogeno rispetto a quello interno.

Cosa implica per l’interno profondo della Terra

Usando modelli standard dell’interno terrestre, il team traduce queste percentuali in un bilancio sorprendente: il nucleo potrebbe immagazzinare 72–87 volte più idrogeno rispetto a tutti gli oceani attuali messi insieme. Nello scenario proposto, il solo nucleo esterno conterrebbe l’equivalente di 70–85 oceani in idrogeno, mentre il nucleo interno ne conterrebbe una quota più piccola ma comunque significativa. Tali quantità possono spiegare più della metà del deficit di densità osservato nel nucleo esterno se l’idrogeno fosse l’unico elemento leggero presente. Nella realtà, altri elementi quasi certamente si aggiungono all’idrogeno lì presente, ma questo lavoro mostra che l’idrogeno non può più essere considerato un attore secondario nel plasmare la struttura e l’evoluzione della regione più profonda della Terra.

Un nuovo tassello nella storia dell’origine della Terra

Per un pubblico non specialista, il messaggio chiave è che il nucleo terrestre potrebbe essere un enorme deposito nascosto di idrogeno che rivaleggia con o supera l’acqua in superficie. Misurando direttamente l’idrogeno nel ferro fuso in condizioni realistiche invece di affidarsi a indizi indiretti, questo studio rafforza l’idea che l’atmosfera ricca di idrogeno e il mantello fuso della giovane Terra abbiano alimentato grandi quantità dell’elemento più leggero nel nucleo in formazione. Quel silenzioso deposito di idrogeno continua a influenzare il pianeta anche oggi attraverso il suo effetto sulla densità, sulla dinamica e sul comportamento magnetico del nucleo.

Citazione: 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

Parole chiave: Nucleo terrestre, idrogeno nel ferro, esperimenti con neutroni, oceano di magma, formazione planetaria