地球の外核に大量の水素が存在する可能性 -世界初、液体鉄中の水素量をその場観察で直接決定-

2026-05-13 東北大学

東北大学の高橋直生大学院生、坂巻竜也助教らの研究グループは、高温高圧下で液体鉄に溶け込む水素量を世界で初めて「その場観察」により直接測定することに成功した。研究成果は2026年にScientific Reportsへ掲載された。研究では、大強度陽子加速器施設J-PARCの中性子実験装置「PLANET」を利用し、地球外核を模擬した高温高圧環境で液体鉄中の水素量を解析した。その結果から計算すると、地球外核には現在の海水に含まれる全水素量の70〜85倍もの水素が存在する可能性が示された。また、水素を含むことで外核の密度が純鉄より低くなる現象を説明でき、長年謎だった「地球外核の密度不足」の半分以上を水素が担っている可能性も明らかになった。水素は宇宙で最も豊富な元素であり、高圧下で鉄と結びつきやすいことから、地球形成初期に核へ大量に取り込まれたと考えられる。本成果は、地球内部構造や惑星形成過程の理解を大きく進展させる成果として注目される。

地球の外核に大量の水素が存在する可能性 -世界初、液体鉄中の水素量をその場観察で直接決定-
図1. 中性子イメージング実験の結果

<関連情報>

中性子イメージングと回折から推測される地球核中の水素 Hydrogen in the Earth core inferred from neutron imaging and diffraction

Naoki Takahashi,Tatsuya Sakamaki,Takanori Hattori,Ken-ichi Funakoshi,Hiroshi Arima-Osonoi,Asami Sano-Furukawa,Jun Abe & Akio Suzuki
Scientific Reports  Published:11 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-026-49969-z

Abstract

The density of the Earth’s core is lower than that of pure iron; this is considered to be caused by the presence of light elements in the core. Hydrogen is one of the most important light elements in the Earth’s core because of its high cosmochemical abundance and its nature as a siderophile element under high pressure. Thus, the hydrogen content in liquid iron under high pressure is required to constrain the chemical composition of the Earth’s core. However, the hydrogen content has been estimated based on the observation of quench products; there are no examples of hydrogen content being determined in the liquid state. Here, we performed high-pressure and high-temperature neutron diffraction and imaging experiments in situ to determine the hydrogen content in liquid iron. We observed that liquid iron contains 0.17(3) wt% H at 3.4 GPa and 1400 K, indicating that liquid iron is hydrogenated in the magma ocean during core formation. For the hydrogen content in the liquid iron at the base of the magma ocean, we estimated that the outer and inner cores contain 0.60–0.72 and 0.30–0.44 wt% H, corresponding to 70–85 and 1.9–2.7 times the mass of hydrogen in the ocean, respectively. This suggests that hydrogen can contribute more than half of the density deficit in the outer core. For the magma ocean equilibrating with the hydrogen-rich primary atmosphere, the study findings show that liquid iron plays a crucial role in transporting a large amount of hydrogen into the core.

1702地球物理及び地球化学
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