Genom att använda den stora synkrotronstrålningsanläggningen SPring-8 i Japan, ett samarbete mellan forskare från Kumamoto University, universitetet i Tokyo, och andra från Japan och Frankrike har exakt mätt densiteten av flytande järn under förhållanden som liknar dem vid jordens yttre kärna:1, 000, 000 atm och 4, 000 grader C. Noggranna densitetsmätningar av flytande järn under sådana extrema förhållanden är mycket viktigt för att förstå den kemiska sammansättningen av vår planets kärna.

Jorden har en inre kärna av solid metall och en yttre kärna av flytande metall som är belägen cirka 2, 900 km (1, 800 mi) under ytan, båda är under mycket höga tryck och temperaturer. Eftersom huvudkomponenten i den yttre kärnan är järn, och dess densitet är betydligt lägre än för rent järn, det ansågs innehålla en stor mängd lätta element som väte och syre. Att identifiera typen och mängden av dessa lätta element kommer att möjliggöra en bättre förståelse av jordens ursprung, specifikt de material som utgjorde jorden och miljön i kärnan när den separerade från manteln. Dock, detta kräver först en noggrann mätning av densiteten av rent flytande järn vid extremt tryck och temperatur som liknar den smälta kärnan så att densiteter kan jämföras.

När trycket stiger, smältpunkten för järn stiger också, vilket gör det svårt att studera densiteten av flytande järn under ultrahögt tryck. Tidigare högtrycksmätningar av flytande järns densitet hävdade att den var cirka 10 % högre än densiteten för flytande järn under kärnförhållanden, men de använda stötkompressionsexperimenten antogs ha ett stort fel.

Det nuvarande arbetet förbättrar dessa mätningar genom att använda högintensiv röntgen vid SPring-8-anläggningen för att mäta röntgendiffraktionen av flytande järn under ultrahöga tryck och höga temperaturer, och tillämpar en ny analytisk metod för att beräkna vätskedensiteten. Dessutom, vätskans ljudhastighetsprofil mättes under extrema förhållanden upp till 450, 000 atm. Data samlades in vid olika temperaturer och tryck och kombinerades sedan med tidigare stötvågsdata för att beräkna densiteten för förhållanden över hela jordens kärna.

För närvarande, det bästa sättet att uppskatta tätheten av jordens yttre kärna är från seismiska observationer. Genom att jämföra den yttre kärndensiteten med de experimentella mätningarna i denna studie finner man att rent järn har cirka 8 % tätare än jordens yttre kärna. Syre, som har betraktats som en stor orenhet tidigare, kan inte förklara densitetsskillnaden, vilket tyder på närvaron av andra lätta element. Denna uppenbarelse är ett stort steg mot att uppskatta den kemiska sammansättningen av kärnan - ett förstklassigt problem inom geovetenskap.

"Över hela världen, många försök att mäta densiteten, ljudets hastighet, och struktur av vätskor under ultrahöga tryck med laseruppvärmda diamantceller har gjorts i över 30 år, men ingen har lyckats hittills, " sa Dr Yoichi Nakajima, en av huvudmedlemmarna i forskningssamarbetet. "Vi förväntar oss att de tekniska innovationer som uppnåtts i denna studie dramatiskt kommer att påskynda forskningen om vätskor under högt tryck. Så småningom, vi tror att detta kommer att fördjupa vår förståelse av den flytande metalliska kärnan och magma djupt inne i jorden och andra steniga planeter."