東京大學的廣瀨敬教授等人組成的研究團隊，與桑山靖弘特任助教、熊本大學的中島陽一助教及愛媛大學地球深部動力學研究中心的土屋卓久教授等人合作，利用大型同步輻射設施SPring-8，在與地核環境基本相同的超高壓高溫（100萬個大氣壓力和4000度）的極限條件下，成功確定了地球液態金屬核心的主要成分——液態鐵的密度。
地球中心爲固態金屬核心，其外側是液態金屬外核，均處於超高壓高溫下。以前一直認爲液態鐵的密度比率觀測到的外核密度高10％左右。但過去在高壓下實施的液態鐵測量是透過衝擊壓縮實驗進行的，被認爲誤差比較大。
圖1：地球核心（地核）爲雙層結構，分別是由固態金屬構成的核心（深6370km~5150km）和由液態金屬構成的外核（液態金屬核心，深5150km~2890km）。其外側是由岩石構成的地函和地殼（參考下圖）。外核處於壓力超過136萬個大氣壓力，溫度超過4000度的極限條件下，地磁場被認爲是在這種液態金屬的對流作用下產生的。
除了主要成分鐵之外，地核中被認爲還含有少量的鎳和輕元素（候選元素爲氫、碳、氧、硅、硫），但尚不清楚詳細的化學成分。地球誕生時可能有大量的水，因此氫和氧被認爲是首要候選元素。
外核的密度遠遠小於液態鐵表明外核除鐵之外還含有大量的輕元素（氫和氧等）。透過確定這些輕元素的種類和含量，可以瞭解地球的誕生程序，具體來說，可以瞭解形成地球的材料物質以及地核與地函分離時的狀態。不過，要想實施這一點，需要 準確瞭解與純鐵之間的密度差。
研究團隊此前透過採用雷射加熱式金剛石單元的靜態壓縮法實施了超高壓高溫實驗，爲調查地球深處的情況做出了巨大貢獻。此次進一步推進開發，透過在SPring-8的光束線BL10XU中進行高強度X射線聚光，測量了超高壓高溫下的液態鐵X射線繞射資料。另外，透過開發完全不同於以往的分析方法，成功地精確測量了超高壓下的液態鐵密度。此外，透過結合光束線BL43LXU的X射線非彈性測量結果，還明確了在液態金屬核心所有區域的溫度壓力條件下的液態鐵密度。
圖2：金剛石單元是採用金剛石的小型高壓發生裝置（圖左）。金剛石被用作產生壓力的尖頭狀部件（壓砧，圖右）。在名爲墊片的金屬板上製作小孔，將樣本和壓力介質放入孔中，用兩個金剛石壓砧夾住即可產生高壓。透過金剛石壓砧向樣本照射雷射，可以使樣本處於高壓高溫下。另外，透過金剛石向樣本照射X射線，可以測量高壓高溫下的樣本。
此次得到的超高壓下的液態鐵密度約比地球外核的密度高8％。考慮到核心的密度，光憑以前被認爲是首要雜質的氧無法解釋這種密度差，因此表明還存在氫等其他輕元素。此次的研究成果向推算被視爲地球科學頭等問題的地核化學成分邁出了重要的一步。
論文資訊
題目：Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions
期刊：《Physical Review Letters》
文：JST客觀日本編輯部
