Hidrogênio no núcleo da Terra inferido por meio de imageamento e difração por nêutrons

Um depósito oculto do elemento mais leve da Terra

O hidrogênio é mais conhecido como ingrediente principal da água e do Sol, mas este estudo sugere que quantidades enormes dele podem também estar presas nas profundezas do coração metálico do nosso planeta. Recriando as intensas pressões e calor encontrados longe abaixo da superfície da Terra e observando como o hidrogênio se comporta dentro do ferro fundido, os autores oferecem uma nova janela sobre do que o núcleo é composto e como nosso planeta se formou.

Por que o núcleo da Terra parece leve demais

Ondas sísmicas revelam que o núcleo da Terra é menos denso do que uma esfera de ferro e níquel puros. Para explicar essa massa “faltante”, cientistas propuseram que elementos mais leves como silício, enxofre, oxigênio, carbono e hidrogênio estão misturados ao núcleo. O hidrogênio é um candidato especialmente intrigante porque é abundante no Sistema Solar primitivo e se dissolve facilmente no ferro quando comprimido a pressões muito altas. No entanto, medir quanto hidrogênio realmente entra no ferro líquido tem sido difícil, porque os hidretos de ferro que se formam sob pressão se desfazem quando retornam às condições normais.

Observando o hidrogênio no ferro fundido

Os pesquisadores enfrentaram esse desafio usando feixes de nêutrons, partículas que atravessam facilmente o metal mas são fortemente afetadas pelo hidrogênio. Em uma fonte poderosa de nêutrons no Japão, eles colocaram uma pequena amostra de ferro, junto com um material rico em hidrogênio, dentro de uma prensa multi-bigorna que a comprimou a cerca de 3–3,5 gigapascais e a aqueceu até 1400 kelvin, condições semelhantes às próximas à base de um oceano de magma primitivo na Terra jovem. A difração de nêutrons, que revela como os átomos estão arranjados, mostrou quando o ferro mudou de um cristal sólido para um estado completamente fundido. O imageamento por nêutrons, que registra quão fortemente a amostra absorve nêutrons, revelou quanto hidrogênio havia entrado no ferro em cada etapa.

Transformando sombras de nêutrons em números

Para traduzir as imagens de nêutrons em conteúdo de hidrogênio, a equipe primeiro calibrizou como a absorção de massa de nêutrons mudava à medida que mais hidrogênio era adicionado ao ferro sólido. Eles mostraram que a absorção aumentava quase linearmente com a fração de hidrogênio, permitindo construir uma curva de conversão simples. Para o ferro fundido, a densidade não é conhecida diretamente, então combinaram suas medições com simulações computadorizadas avançadas de hidreto de ferro líquido que relacionam pressão, temperatura e composição à densidade. Juntando essas peças, inferiram que o ferro líquido a 3,4 gigapascais e 1400 kelvin pode conter cerca de 0,17 por cento em peso de hidrogênio.

Da cápsula de laboratório ao núcleo planetário

Em seguida, os autores usaram uma forma modificada de uma lei clássica, a lei de Sieverts, que relaciona quanto hidrogênio se dissolve em metal com a pressão de hidrogênio ambiente e a temperatura. Ancorados por seu resultado experimental, calcularam quanto hidrogênio o ferro fundido poderia absorver na base de um oceano de magma profundo sob uma atmosfera primitiva rica em hidrogênio. Nestas condições favoráveis, estimam que o ferro líquido formador do núcleo poderia ter contido cerca de 0,6 a 0,7 por cento em peso de hidrogênio. À medida que o núcleo mais tarde se separou em uma casca externa líquida e uma esfera interna sólida, o hidrogênio tenderia a permanecer no líquido, deixando o núcleo externo mais rico em hidrogênio do que o núcleo interno.

O que isso significa para o interior profundo da Terra

Usando modelos padrão do interior da Terra, a equipe traduz essas porcentagens em um orçamento impressionante: o núcleo poderia armazenar de 72 a 87 vezes mais hidrogênio do que todos os oceanos atuais juntos. Em seu cenário, apenas o núcleo externo conteria o equivalente a 70 a 85 oceanos de hidrogênio, enquanto o núcleo interno teria uma parcela menor, mas ainda considerável. Tais quantidades podem explicar mais da metade do déficit de densidade observado no núcleo externo se o hidrogênio fosse o único elemento leve presente. Na realidade, outros elementos quase certamente se somam ao hidrogênio ali, mas este trabalho mostra que o hidrogênio não pode mais ser tratado como um ator secundário ao moldar a estrutura e a evolução da região mais profunda da Terra.

Uma nova peça na história da origem da Terra

Para o não especialista, a mensagem-chave é que o núcleo da Terra pode ser um enorme reservatório oculto de hidrogênio que rivaliza ou excede a água da superfície. Ao medir diretamente o hidrogênio no ferro fundido sob condições realistas em vez de depender de indícios indiretos, este estudo fortalece a ideia de que a atmosfera rica em hidrogênio e o manto derretido da Terra primitiva forneceram grandes quantidades do elemento mais leve ao núcleo em formação. Esse estoque silencioso de hidrogênio continua a influenciar o planeta hoje por meio de seu efeito na densidade, na dinâmica e no comportamento magnético do núcleo.

Citação: 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

Palavras-chave: núcleo da Terra, hidrogênio no ferro, experimentos com nêutrons, oceano de magma, formação planetária