中国のシミュレーションが示唆する地球内核の超イオン状態

中国の科学者チームによる最新の計算モデルは、地球の核、特に中心部の内核が極度の圧力と温度の下で「超イオン状態」にある可能性を示唆している。この超イオン状態は、固体と液体の両方の性質を併せ持つ特異な相であり、太陽系外惑星である天王星や海王星の内部に存在すると仮説されている超イオン氷と類似の物理的条件を指す。地球の内核は、ニッケルに加え、酸素、硫黄、炭素といった微量の軽元素を含む鉄を主成分とする半径約2,500キロメートルの球体であると考えられており、この知見は地球内部の物質科学における従来の理解を刷新する可能性を秘めている。

中国科学院（CAS）の研究者たちは、量子力学に基づいた高度なコンピューターシミュレーションを駆使し、地球中心部の極限環境を詳細にモデル化した。彼らの計算結果は、鉄合金が水素や酸素、炭素などの軽元素と混在する状態で、地球内核の条件下では超イオン相へと相転移することを示している。この超イオン構造では、鉄原子が秩序だった固体格子を形成する一方で、軽元素は液体のようにその格子内を自由に移動するという特異な挙動を示す。この現象は、地球内部の物質が単なる固体や液体として分類できない、より複雑な状態にあることを示唆している。

研究チームを率いた地球物理学者の何宇氏は、この発見を「極めて異例である」と評している。科学者たちは、この超イオン構造が、地震波観測で検出される内核の比較的低いせん断波速度、すなわち内核の相対的な「柔らかさ」を説明する鍵となると見ている。さらに、このモデルは、地球の歴史を通じて内核が経験する構造変化や、地球の磁場を駆動する対流電流の発生メカニズムを解明する上で重要な洞察を提供する可能性がある。地球の磁場は約42億年前に生成されたと推定されており、内核の形成時期と磁場生成の関連性は地球科学における長年の謎の一つである。

超イオン状態の検証は極めて困難な課題である。初期の実験ではレーザーを用いてサンプルを超高圧・高温状態に晒す試みがなされたが、現在のモデルの支持は主に第一原理分子動力学シミュレーションに依存している。地球中心部と同等の極限環境を実験室で直接再現することは現在の技術では不可能であるため、この超イオン状態は有力な科学的仮説の一つとして位置づけられている。地球内部の構造解明は、地表のプレートテクトニクスや地球の進化全体を理解する上で不可欠な要素である。