中性子イメージングと回折から推定される地球核内の水素

地球で最も軽い元素の隠れた貯蔵庫

水素は水や太陽の主成分としてよく知られているが、本研究は膨大な量の水素が地球の金属の心臓部に深く閉じ込められている可能性を示唆する。地表下深部の極めて高い圧力と温度を再現し、溶融鉄中で水素がどのように振る舞うかを観察することで、著者らは核の組成や地球の形成に関する新たな視点を提供している。

なぜ地球の核は密度が低く見えるのか

地震波の観測は、地球の核が純粋な鉄・ニッケルの球体よりも密度が低いことを示す。この「不足している」質量を説明するため、科学者たちはケイ素、硫黄、酸素、炭素、そして水素のような軽元素が核に混ざっていると提案してきた。水素は特に興味深い候補である。なぜなら初期太陽系には豊富に存在し、非常に高圧下で鉄に容易に溶け込むからだ。しかし、圧力下で生成される鉄水素化物は常圧に戻すと分解してしまうため、液体鉄に実際どれだけ水素が入るのかを測定するのは困難だった。

溶融鉄中の水素を直接観察する

研究者たちはこの課題に対し、中性子ビームを用いて取り組んだ。中性子は金属を容易に透過する一方で水素に強く影響される特性を持つ。日本の強力な中性子源で、彼らは微小な鉄試料と水素を多く含む物質を、多軸アンビルプレスの内部に置き、約3〜3.5ギガパスカルまで加圧し、1400ケルビンまで加熱した。これは若い地球の初期マグマオーシャン底部に相当する条件である。原子配列を明らかにする中性子回折は、鉄が固体結晶から完全に溶融した状態へ変わる時期を示した。一方、試料が中性子をどれだけ吸収するかを記録する中性子イメージングは、各段階でどれだけの水素が鉄に入ったかを明らかにした。

中性子の陰影を数値に変換する

中性子イメージを水素含有量に変換するために、チームはまず固体鉄に水素を加えるほど中性子の質量吸収係数がどう変わるかを較正した。吸収は水素比率にほぼ線形に増加することが示され、単純な換算曲線を構築できた。溶融鉄の場合は密度が直接分からないため、彼らは圧力・温度・組成を密度に結びつける高精度な液体鉄水素化物のコンピュータシミュレーションと測定値を組み合わせた。これらを総合して、3.4ギガパスカル・1400ケルビンの条件下で液体鉄は約0.17重量パーセントの水素を保持できると推定した。

実験カプセルから惑星の核へ

次に著者らは、金属に溶け込む水素量を周囲の水素圧力と温度に結びつける古典的な法則、ジーベルツ則（Sievertsの法則）の修正版を用いた。実験結果を基点として、彼らは水素豊富な初期大気の下で深いマグマオーシャン底部にあった溶融鉄がどれだけ水素を取り込めたかを計算した。好条件下では、核を形成する液体鉄はおよそ0.6〜0.7重量パーセントの水素を含んでいた可能性があると推定される。核が後に液体の外核と固体の内核に分離した際、水素は液体側を好むため、外核の方が内核より水素に富むことになる。

地球深部にとっての意味

地球内部の標準モデルを用いると、チームはこれらの割合を驚くべき量に換算した：核は現在の海洋全体の72〜87倍に相当する水素を蓄え得る可能性があるという。彼らのシナリオでは、外核だけで海水換算70〜85個分の水素を保有し、内核もより小さいがなおかなりの割合を占める。もし水素だけが唯一の軽元素であったなら、これらの量は外核の観測される密度不足の半分以上を説明できる。現実には他の元素が水素とともに存在する可能性が高いが、本研究は水素が地球最深部の構造と進化を形作る上でもはや小さな役どころではないことを示している。

地球起源の物語に加わる新たな一片

専門外の読者に向けた要点は、地球の核が表層の水に匹敵するかそれを上回るほど巨大な隠れた水素の貯蔵庫である可能性があるということだ。間接的な手掛かりに頼るのではなく、現実に近い条件下で溶融鉄中の水素を直接測定したことで、本研究は初期地球の水素豊富な大気と溶融マントルが最軽元素を核へ大量に供給したという考えを強化する。静かなその蓄えは、核の密度、ダイナミクス、磁気的ふるまいに及ぼす影響を通じて今日も惑星に作用し続けている。

引用: 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

キーワード: 地球核, 鉄中の水素, 中性子実験, マグマオーシャン, 惑星形成