Le noyau de la Terre se compose principalement d'une énorme boule de métal liquide située à 3000 km sous sa surface, entouré d'un manteau de roche chaude. Notamment, à de si grandes profondeurs, le noyau et le manteau sont soumis à des pressions et des températures extrêmement élevées. Par ailleurs, la recherche indique que le lent écoulement rampant des roches chaudes flottantes - se déplaçant de plusieurs centimètres par an - évacue la chaleur du noyau vers la surface, entraînant un refroidissement très progressif du cœur au cours des temps géologiques. Cependant, le degré auquel le noyau de la Terre s'est refroidi depuis sa formation est un sujet de débat intense parmi les scientifiques de la Terre.

En 2013, Kei Hirose, aujourd'hui directeur du Earth-Life Science Institute (ELSI) au Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), ont rapporté que le noyau de la Terre pourrait s'être refroidi jusqu'à 1 000 °C depuis sa formation il y a 4,5 milliards d'années. Cette grande quantité de refroidissement serait nécessaire pour maintenir le champ géomagnétique, à moins qu'il n'y ait une autre source d'énergie encore inconnue. Ces résultats ont été une surprise majeure pour la communauté de la Terre profonde, et a créé ce que Peter Olson de l'Université Johns Hopkins a appelé, « le nouveau paradoxe de la chaleur centrale », dans un article publié dans Science.

Le refroidissement du cœur et les sources d'énergie pour le champ géomagnétique n'étaient pas les seuls problèmes difficiles rencontrés par l'équipe. Une autre question non résolue était l'incertitude sur la composition chimique du noyau. "Le noyau est principalement du fer et un peu de nickel, mais contient également environ 10 % d'alliages légers comme le silicium, oxygène, soufre, carbone, hydrogène, et d'autres composés, " Hirose, auteur principal de la nouvelle étude qui sera publiée dans la revue La nature . "Nous pensons que de nombreux alliages sont présents simultanément, mais nous ne connaissons pas la proportion de chaque élément candidat."

Maintenant, dans cette dernière recherche menée dans le laboratoire d'Hirose à l'ELSI, les scientifiques ont utilisé des diamants taillés avec précision pour presser de minuscules échantillons de la taille d'une poussière aux mêmes pressions qui existent au cœur de la Terre (Fig. 1). Les températures élevées à l'intérieur de la Terre ont été créées en chauffant des échantillons avec un faisceau laser. En effectuant des expériences avec une gamme de compositions d'alliages probables dans diverses conditions, Hirose et ses collègues tentent d'identifier le comportement unique de différentes combinaisons d'alliages qui correspondent à l'environnement distinct qui existe au cœur de la Terre.

La recherche d'alliages a commencé à donner des résultats utiles lorsque Hirose et ses collaborateurs ont commencé à mélanger plus d'un alliage. "Autrefois, la plupart des recherches sur les alliages de fer dans le noyau se sont concentrées uniquement sur le fer et un seul alliage, " dit Hirose. " Mais dans ces expériences, nous avons décidé de combiner deux alliages différents contenant du silicium et de l'oxygène, dont nous croyons fermement qu'il existe dans le noyau."

Les chercheurs ont été surpris de constater que lorsqu'ils ont examiné les échantillons au microscope électronique, les petites quantités de silicium et d'oxygène dans l'échantillon de départ s'étaient combinées pour former des cristaux de dioxyde de silicium (Fig. 2) – la même composition que le quartz minéral trouvé à la surface de la Terre.

"Ce résultat s'est avéré important pour comprendre l'énergétique et l'évolution du cœur, " dit John Hernlund d'ELSI, un co-auteur de l'étude. "Nous étions excités parce que nos calculs ont montré que la cristallisation des cristaux de dioxyde de silicium à partir du noyau pourrait fournir une immense nouvelle source d'énergie pour alimenter le champ magnétique de la Terre." Le coup de pouce supplémentaire qu'il fournit est suffisant pour résoudre le paradoxe d'Olson.

L'équipe a également exploré les implications de ces résultats pour la formation de la Terre et les conditions au début du système solaire. La cristallisation modifie la composition du noyau en éliminant progressivement le silicium dissous et l'oxygène au fil du temps. Finalement, le processus de cristallisation s'arrêtera lorsque le noyau aura épuisé son ancien inventaire de silicium ou d'oxygène.

"Même si vous avez du silicium présent, vous ne pouvez pas fabriquer de cristaux de dioxyde de silicium sans disposer d'un peu d'oxygène », explique le scientifique d'ELSI George Helffrich, qui a modélisé le processus de cristallisation pour cette étude. "Mais cela nous donne des indices sur la concentration initiale d'oxygène et de silicium dans le noyau, car seuls certains ratios silicium:oxygène sont compatibles avec ce modèle."