Việc một hành tinh có từ trường hay không sẽ đi một chặng đường dài để xác định xem nó có thể ở được hay không. Trong khi Trái đất có một từ trường mạnh giúp bảo vệ sự sống khỏi bức xạ có hại và giữ cho gió mặt trời không bị tước đi bầu khí quyển của nó, thì hành tinh giống như sao Hỏa không còn làm được nữa. Do đó, tại sao nó đi từ một thế giới có bầu khí quyển dày hơn và nước lỏng trên bề mặt của nó đến nơi lạnh lẽo, khô cằn như ngày nay.
Vì lý do này, các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách hiểu được sức mạnh của từ trường Trái đất. Cho đến thời điểm hiện tại, sự đồng thuận cho rằng đó là hiệu ứng động lực được tạo ra bởi lõi ngoài chất lỏng Trái đất quay theo hướng ngược lại với vòng quay Trái đất. Tuy nhiên, nghiên cứu mới từ Viện Công nghệ Tokyo cho thấy rằng nó thực sự có thể là do sự hiện diện của sự kết tinh trong lõi Trái đất.
Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Viện Khoa học Sự sống Trái đất (ELSI) tại Tokyo Tech. Theo nghiên cứu của họ - có tiêu đề là sự kết tinh của silicon Dioxide và sự tiến hóa thành phần của trái đất Lõi Lõi, xuất hiện gần đây trong Thiên nhiên - năng lượng điều khiển từ trường Trái đất có thể liên quan nhiều hơn đến thành phần hóa học của lõi Trái đất.
Mối quan tâm đặc biệt đối với nhóm nghiên cứu là tốc độ lõi Trái đất nguội dần theo thời gian địa chất - vốn là chủ đề tranh luận trong một thời gian. Và đối với Tiến sĩ Kei Hirose - giám đốc của Viện Khoa học Sự sống Trái đất và là tác giả chính của bài báo - nó đã là một thứ gì đó theo đuổi suốt đời. Trong một nghiên cứu năm 2013, ông đã chia sẻ những phát hiện nghiên cứu chỉ ra rằng lõi Trái đất có thể đã nguội đi đáng kể so với suy nghĩ trước đây.
Ông và nhóm của mình đã kết luận rằng kể từ khi hình thành Trái đất (4,5 tỷ năm trước), lõi có thể đã nguội đi tới 1.000 ° C (1.832 ° F). Những phát hiện này khá đáng ngạc nhiên đối với cộng đồng khoa học Trái đất - dẫn đến cái mà một nhà khoa học gọi là Nghịch lý nhiệt cốt lõi mới. Nói tóm lại, tốc độ làm mát lõi này có nghĩa là một số nguồn năng lượng khác sẽ được yêu cầu để duy trì trường địa từ Trái đất.
Trên hết, và liên quan đến vấn đề làm mát lõi, là một số câu hỏi chưa được giải đáp về thành phần hóa học của lõi. Như Tiến sĩ Kei Hirose đã nói trong một thông cáo báo chí của Tokyo Tech:
Phần lõi chủ yếu là sắt và một số niken, nhưng cũng chứa khoảng 10% hợp kim nhẹ như silicon, oxy, lưu huỳnh, carbon, hydro và các hợp chất khác. Chúng tôi nghĩ rằng nhiều hợp kim có mặt đồng thời, nhưng chúng tôi không biết tỷ lệ của từng yếu tố ứng cử viên.
Để giải quyết vấn đề này, Hirose và các đồng nghiệp của mình tại ELSI đã tiến hành một loạt các thí nghiệm trong đó các hợp kim khác nhau phải chịu các điều kiện nhiệt và áp suất tương tự như trong phần bên trong Earth. Điều này bao gồm việc sử dụng một chiếc đe kim cương để ép các mẫu hợp kim có kích thước bụi để mô phỏng các điều kiện áp suất cao, sau đó làm nóng chúng bằng chùm tia laser cho đến khi chúng đạt đến nhiệt độ cực cao.
Trước đây, nghiên cứu về hợp kim sắt trong lõi đã tập trung chủ yếu vào hợp kim sắt-silic hoặc oxit sắt ở áp suất cao. Nhưng vì lợi ích của các thí nghiệm của họ, Hirose và các đồng nghiệp đã quyết định tập trung vào sự kết hợp giữa silicon và oxy - được cho là tồn tại ở lõi ngoài - và kiểm tra kết quả bằng kính hiển vi điện tử.
Những gì các nhà nghiên cứu tìm thấy là trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cực cao, các mẫu silicon và oxy kết hợp với nhau tạo thành tinh thể silicon dioxide - có thành phần tương tự thạch anh khoáng được tìm thấy trong lớp vỏ Trái đất. Ergo, nghiên cứu cho thấy rằng sự kết tinh của silicon dioxide ở lõi ngoài sẽ giải phóng đủ sức nổi đối với năng lượng đối lưu lõi và hiệu ứng động lực ngay từ đầu khi Hadean trở đi.
Như John Hernlund, cũng là thành viên của ELSI và là đồng tác giả của nghiên cứu, đã giải thích:
Kết quả này đã chứng minh tầm quan trọng để hiểu được năng lượng và sự tiến hóa của cốt lõi. Chúng tôi rất phấn khích vì các tính toán của chúng tôi cho thấy rằng sự kết tinh của các tinh thể silicon dioxide từ lõi có thể cung cấp một nguồn năng lượng mới to lớn để cung cấp năng lượng cho từ trường Earth.
Nghiên cứu này không chỉ cung cấp bằng chứng giúp giải quyết cái gọi là Nghịch lý nhiệt lõi mới, mà còn có thể giúp nâng cao hiểu biết của chúng ta về những điều kiện như thế nào trong quá trình hình thành Trái đất và Hệ mặt trời đầu tiên. Về cơ bản, nếu silicon và oxy tạo thành tinh thể silicon dioxide ở lõi ngoài theo thời gian, thì sớm hay muộn, quá trình sẽ dừng lại khi lõi hết các yếu tố này.
Khi điều đó xảy ra, chúng ta có thể hy vọng từ trường Trái đất sẽ bị ảnh hưởng, điều này sẽ có ý nghĩa quyết liệt đối với sự sống trên Trái đất. Nó cũng giúp đặt ra những hạn chế về nồng độ silicon và oxy có trong lõi khi Trái đất hình thành lần đầu tiên, có thể đi một chặng đường dài để thông báo cho các lý thuyết của chúng ta về sự hình thành Hệ Mặt trời.
Hơn nữa, nghiên cứu này có thể giúp các nhà địa vật lý xác định cách thức và thời điểm các hành tinh khác (như Sao Hỏa, Sao Kim và Sao Thủy) vẫn có từ trường (và có thể dẫn đến ý tưởng về cách chúng có thể được cung cấp năng lượng trở lại). Nó thậm chí có thể giúp các nhóm khoa học săn ngoại hành tinh xác định ngoại hành tinh nào có từ trường, cho phép chúng ta tìm ra thế giới ngoài mặt trời nào có thể ở được.
