Jordens kärna består till största delen av en enorm boll av flytande metall som ligger 3000 km under dess yta, omgiven av en mantel av het sten. I synnerhet, på så stora djup, både kärnan och manteln utsätts för extremt höga tryck och temperaturer. Vidare, forskning indikerar att det långsamma krypande flödet av heta flytande stenar – som rör sig flera centimeter per år – för bort värme från kärnan till ytan, vilket resulterar i en mycket gradvis avkylning av kärnan över geologisk tid. Dock, graden till vilken jordens kärna har svalnat sedan dess bildande är ett område för intensiv debatt bland jordforskare.

2013 Kei Hirose, nu direktör för Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), rapporterade att jordens kärna kan ha svalnat med så mycket som 1000?C sedan den bildades för 4,5 miljarder år sedan. Denna stora mängd kyla skulle behövas för att upprätthålla det geomagnetiska fältet, om det inte fanns en annan ännu oupptäckt energikälla. Dessa resultat var en stor överraskning för det djupa jordsamhället, och skapade vad Peter Olson från Johns Hopkins University kallade, "den nya kärnvärmeparadoxen", i en artikel publicerad i Science.

Kärnkylning och energikällor för det geomagnetiska fältet var inte de enda svåra problem som teamet stod inför. En annan olöst sak var osäkerhet om kärnans kemiska sammansättning. "Kärnan är mestadels järn och lite nickel, men innehåller också cirka 10% lätta legeringar som kisel, syre, svavel, kol, väte, och andra föreningar, "Hirose, huvudförfattare till den nya studien som ska publiceras i tidskriften Natur . "Vi tror att många legeringar är närvarande samtidigt, men vi vet inte andelen av varje kandidatelement."

Nu, i denna senaste forskning utförd i Hiroses labb vid ELSI, forskarna använde precisionsslipade diamanter för att pressa små dammstora prover till samma tryck som finns i jordens kärna (Fig. 1). De höga temperaturerna i jordens inre skapades genom att värma prover med en laserstråle. Genom att utföra experiment med en rad troliga legeringskompositioner under en mängd olika förhållanden, Hiroses och kollegor försöker identifiera det unika beteendet hos olika legeringskombinationer som matchar den distinkta miljön som finns i jordens kärna.

Sökandet efter legeringar började ge användbara resultat när Hirose och hans medarbetare började blanda mer än en legering. "Förr, mest forskning om järnlegeringar i kärnan har fokuserat endast på järnet och en enskild legering, " säger Hirose. "Men i dessa experiment bestämde vi oss för att kombinera två olika legeringar som innehåller kisel och syre, som vi starkt tror finns i kärnan."

Forskarna blev förvånade över att finna att när de undersökte proverna i ett elektronmikroskop, de små mängderna kisel och syre i startprovet hade kombinerats för att bilda kiseldioxidkristaller (fig. 2) - samma sammansättning som mineralkvartsen som finns på jordens yta.

"Detta resultat visade sig vara viktigt för att förstå energin och utvecklingen av kärnan, " säger John Hernlund på ELSI, en medförfattare till studien. "Vi var glada eftersom våra beräkningar visade att kristallisering av kiseldioxidkristaller från kärnan kan ge en enorm ny energikälla för att driva jordens magnetfält." Den extra boost den ger är tillräckligt mycket för att lösa Olsons paradox.

Teamet har också utforskat konsekvenserna av dessa resultat för bildningen av jorden och förhållandena i det tidiga solsystemet. Kristallisering förändrar kärnans sammansättning genom att avlägsna löst kisel och syre gradvis över tiden. Så småningom kommer kristalliseringsprocessen att sluta när kärnan tar slut ur dess gamla lager av antingen kisel eller syre.

"Även om du har kisel närvarande, du kan inte göra kiseldioxidkristaller utan att också ha lite syre tillgängligt", säger ELSI-forskaren George Helffrich, som modellerade kristalliseringsprocessen för denna studie. "Men detta ger oss ledtrådar om den ursprungliga koncentrationen av syre och kisel i kärnan, eftersom endast vissa kisel:syre-förhållanden är kompatibla med denna modell."