Il nucleo della Terra è costituito principalmente da un'enorme sfera di metallo liquido che giace a 3000 km sotto la sua superficie, circondato da un manto di roccia calda. In particolare, a così grandi profondità, sia il nucleo che il mantello sono soggetti a pressioni e temperature estremamente elevate. Per di più, la ricerca indica che il lento flusso strisciante di rocce calde e galleggianti, che si spostano di diversi centimetri all'anno, porta il calore dal nucleo alla superficie, con conseguente raffreddamento molto graduale del nucleo nel tempo geologico. Però, il grado in cui il nucleo della Terra si è raffreddato dalla sua formazione è un'area di intenso dibattito tra gli scienziati della Terra.

Nel 2013 Kei Hirose, ora Direttore dell'Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ha riferito che il nucleo della Terra potrebbe essersi raffreddato fino a 1000°C dalla sua formazione 4,5 miliardi di anni fa. Questa grande quantità di raffreddamento sarebbe necessaria per sostenere il campo geomagnetico, a meno che non ci fosse un'altra fonte di energia ancora sconosciuta. Questi risultati sono stati una grande sorpresa per la comunità della Terra delle Profondità, e creò ciò che Peter Olson della Johns Hopkins University chiamava, "il nuovo paradosso del calore centrale", in un articolo pubblicato su Science.

Il raffreddamento del nucleo e le fonti di energia per il campo geomagnetico non sono stati gli unici problemi difficili affrontati dal team. Un'altra questione irrisolta era l'incertezza sulla composizione chimica del nucleo. "Il nucleo è principalmente di ferro e un po' di nichel, ma contiene anche circa il 10% di leghe leggere come silicio, ossigeno, zolfo, carbonio, idrogeno, e altri composti, "Hirose, autore principale del nuovo studio che sarà pubblicato sulla rivista Natura . "Pensiamo che molte leghe siano presenti contemporaneamente, ma non conosciamo la proporzione di ciascun elemento candidato."

Ora, in quest'ultima ricerca condotta nel laboratorio di Hirose all'ELSI, gli scienziati hanno usato diamanti tagliati con precisione per spremere piccoli campioni di polvere alle stesse pressioni che esistono al centro della Terra (Fig. 1). Le alte temperature all'interno della Terra sono state create riscaldando campioni con un raggio laser. Eseguendo esperimenti con una gamma di probabili composizioni di leghe in una varietà di condizioni, Hirose e colleghi stanno cercando di identificare il comportamento unico di diverse combinazioni di leghe che corrispondono all'ambiente distinto che esiste al centro della Terra.

La ricerca delle leghe iniziò a dare risultati utili quando Hirose ei suoi collaboratori iniziarono a mescolare più di una lega. "Nel passato, la maggior parte della ricerca sulle leghe di ferro nel nucleo si è concentrata solo sul ferro e su una singola lega, " dice Hirose. "Ma in questi esperimenti abbiamo deciso di combinare due diverse leghe contenenti silicio e ossigeno, che crediamo fortemente esistano nel nucleo."

I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che quando hanno esaminato i campioni al microscopio elettronico, le piccole quantità di silicio e ossigeno nel campione di partenza si erano combinate insieme per formare cristalli di biossido di silicio (Fig. 2), la stessa composizione del quarzo minerale trovato sulla superficie della Terra.

"Questo risultato si è rivelato importante per comprendere l'energia e l'evoluzione del nucleo, "dice John Hernlund di ELSI, coautore dello studio. "Eravamo entusiasti perché i nostri calcoli hanno mostrato che la cristallizzazione dei cristalli di biossido di silicio dal nucleo potrebbe fornire un'immensa nuova fonte di energia per alimentare il campo magnetico terrestre". La spinta aggiuntiva che fornisce è sufficiente per risolvere il paradosso di Olson.

Il team ha anche esplorato le implicazioni di questi risultati per la formazione della Terra e le condizioni nel primo sistema solare. La cristallizzazione modifica la composizione del nucleo rimuovendo gradualmente il silicio e l'ossigeno disciolti nel tempo. Alla fine il processo di cristallizzazione si fermerà quando il nucleo esaurirà il suo antico inventario di silicio o ossigeno.

"Anche se hai del silicio presente, non si possono produrre cristalli di biossido di silicio senza avere a disposizione anche un po' di ossigeno", afferma lo scienziato dell'ELSI George Helffrich, che ha modellato il processo di cristallizzazione per questo studio. "Ma questo ci dà indizi sulla concentrazione originale di ossigeno e silicio nel nucleo, perché solo alcuni rapporti silicio:ossigeno sono compatibili con questo modello."