東北大ら，300万気圧下で金属鉄の音速測定に成功

東北大学，理化学研究所，愛媛大学は，大型放射光施設SPring-8の世界最高輝度の放射光X線と，ダイヤモンドアンビルセルを用いた静的高圧実験によって，音速測定の測定圧力条件を先行研究の倍に相当する300万気圧以上に拡張し，地球の内核境界に相当する圧力下での金属鉄の音速測定に初めて成功した（ニュースリリース）。

地球の最深部に位置する内核は，300万気圧を超える圧力下にあり，鉄を主成分としていると考えられている。しかし，鉄だけでは内核の密度と音速を説明することができず，内核には軽元素が含まれていると予想されてきた。

この内核に含まれる軽元素の種類と量を特定するためには，基準となる鉄（核の主成分）の高圧下での物性（密度と音速）を正確に見積もる必要がある。近年，密度の直接測定では300万気圧を超える圧力下での鉄および鉄合金の測定が報告されている。

一方音速測定は，実験の困難さから100-150万気圧程度での測定に限定されていたため，音速を用いた内核の議論には大きな外挿が必要とされ，核の構造と化学組成の議論に大きな不確かさを与える要因となってきた。

高圧下における音速測定実験では，高圧条件を作り出すために厚さ1μm程度，直径5μm程度の非常に小さい実験試料を用いる。このような微小試料からのX線回折やX線散乱のシグナルは極めて弱く，中でも音速の情報を含む非弾性X線散乱のシグナルはさらに弱いシグナルであるため，長時間の測定を行なっても，十分な強度と信号雑音比（SN比）が得られなかった。

研究グループは，弱い非弾性X線散乱シグナルからノイズを除去して音速情報を検出する特殊な光学系の開発を進めてきた。さらに，高圧実験に使用するダイヤモンドアンビルの形状を改良し，300万気圧を超える圧力を長時間安定に保持することを可能にし，これらによって，300万気圧を超える圧力下での金属鉄での音速の直接測定に成功した。

その結果，1秒間で0.01-0.02カウント程度の弱いシグナルでも，試料からの非弾性X線散乱のシグナルがはっきりと見て取れた。先行研究の議論の不確かさの原因となってきた音速測定圧力が本研究で大きく拡張され，内核の密度・圧力範囲での音速を測定することができるようになった。

研究グループはこの研究で開発された音速測定法によって，内核の構造や組成をさらに詳細に解明できるとしている。