Une étude, dont les résultats intitulés «Pressure-dependent isotopic composition of iron alloys» ont été publiés dans la revue Science, a permis de montrer, en apportant des contraintes pour la détermination de la composition chimique du noyau terrestre, que la pression, un facteur jusque là sous-estimé, a eu une influence sur sa composition isotopique. Notons que jusqu'ici si aucun effet lié à la pression n’avait été observé, puisque «seules des pressions de quelques gigapascals avaient été considérées alors que la pression dans l’océan de magma, qui est apparu durant la formation de la Terre, a pu atteindre près de 120 gigapascals.

Rappelons tout d'abord que si «la composition exacte du noyau terrestre est une énigme pour les géologues qui ne peuvent en obtenir directement des échantillons», on peut tout de même dire qu'elle «est dominée par le fer et le nickel». De plus, il contient des éléments légers, car «des mesures de vitesse de propagation d’ondes sismiques à travers le globe indiquent que le noyau est moins dense que s’il ne contenait que du fer et du nickel».

Afin d'en apprendre plus, l'étude ici présentée a analysé «en laboratoire le rôle de la pression sur la composition isotopiques du fer avec différents éléments légers (tels l’hydrogène, le carbone ou l’oxygène)», du fait que «certains processus favorisent des réactions avec certains isotopes, ce qui peut faire varier le rapport de concentration de deux isotopes d’un endroit à un autre»: par exemple, il a été observé «comment certains facteurs, tels que la température, influent sur la formation d’alliages entre le fer et des éléments légers en comparant le fer 54 et le fer 57». Plus précisément, «la formation d’alliages du fer avec le carbone, l’oxygène et l’hydrogène pour les isotopes fer 54 et fer 57 dans des presses qui atteignent plusieurs dizaines de gigapascals» a été examinée.

Il est alors apparu, «grâce à une analyse spectroscopique (par diffusion inélastique résonante de rayons X)», que «la part d’alliages avec l’isotope fer 57 augmente avec la pression». Ensuite «des calculs de mécanique quantique» réalisés avec «les gros centres de calculs français» ont permis de conforter cette conclusion en étendant la validité des mesures «jusqu'à plusieurs centaines de gigapascals».

Comme ces calculs «montrent l’existence d’une faible préférence énergétique du réseau cristallin pour l’isotope fer 57 plutôt que pour le fer 54», une préférence «accentuée par la pression», la conséquence de ce fractionnement isotopique «est que, si ces éléments légers ont migré dans le noyau entrainés par le fer, la proportion de fer 54 et de fer 57 a changé dans le manteau par rapport à ce qu’elle était avant la différentiation». Ainsi, à partir du «rapport de concentration de ces deux isotopes de fer dans les chondrites» utilisé comme référence, il a été «calculé, pour chaque élément léger, comment la concentration en fer 57 a varié dans le manteau».

Comme «dans le cas de l’hydrogène et du carbone, la variation serait mesurable» et comme «cette trace n’est pas détectée dans des échantillons de roche du manteau», il est exclu que l’hydrogène et le carbone soient des composants du noyau. En ce qui concerne l’oxygène, «la trace laissée dans le manteau est trop faible pour être détectable, donc l’oxygène est toujours un candidat possible». Par ailleurs, «d’autres éléments qui n’ont pas été analysés ici, tels le soufre ou le silicium, pourraient éventuellement être présents dans le noyau comme proposés par certains auteurs».