Avec le développement de la sismologie au début du XXe siècle, les chercheurs ont pu progressivement « sonder » l’intérieur de la Terre. En 1936, la sismologue danoise Inge Lehmann met ainsi en évidence la présence d’un noyau interne solide, entouré d’un noyau externe liquide, au cœur de la Terre.

L’analyse de la vitesse des ondes sismiques va alors permettre de calculer la densité de ces deux enveloppes. Ces résultats, mis en parallèle des observations minéralogiques sur les météorites métalliques retrouvées sur Terre, permettent ensuite de tirer des conclusions sur la composition du noyau : celui-ci serait fait majoritairement de fer et de nickel.


La découverte du noyau terrestre ne date que de 1936. © alexlmx, Adobe Stock

Du fer, du nickel, mais pas seulement

Toutefois, l’affinement des techniques d’analyses va progressivement mettre en évidence une plus grande complexité compositionnelle du noyau qu’on ne le pensait initialement. La densité estimée est en effet trop faible pour correspondre uniquement à un alliage de fer-nickel. Dès les années 1960, on suppose donc la présence d’éléments plus légers.

Mais il faudra attendre le début du XXIe siècle et le développement de techniques expérimentales permettant de recréer les immenses pressions et températures régnant au cœur de la Terre pour effectuer des simulations en laboratoires et découvrir quels pourraient être ces éléments. On sait ainsi aujourd’hui que le noyau contient du soufre, du silicium, de l’oxygène, du carbone et de l’hydrogène. Les proportions respectives restent toutefois encore largement débattues.

Si tout le monde s’accorde pour dire que ses proportions sont très faibles, c’est justement cela qui pose problème dans leur détermination. Rappelons que toutes les études sur le noyau ne se font que par des données indirectes et extrêmement subtiles, ce qui rend difficile la constitution d’un modèle de composition très précis, d’autant plus en ce qui concerne l’hydrogène. Il s’agit en effet de l’élément chimique le plus léger et le plus petit.

Simuler le noyau en laboratoire

Pour pallier ces difficultés, une équipe de chercheurs a développé une nouvelle approche. Les scientifiques ont placé des échantillons de fer de composition similaire à celle du noyau ainsi que du verre silicaté hydraté représentant la composition supposée de l’ancien océan de magma terrestre dans des cellules à enclumes de diamant chauffées au laser. Ce dispositif leur a permis de reproduire les conditions de pression et température du noyau (environ 111 GPa et 4 800 °C).

Ils ont ensuite réalisé une cartographie 3D de la composition à l’échelle nanométrique grâce à un technique appelée tomographie par sonde atomique. Cela leur a permis de déterminer les quantités de silicium, d’oxygène et d’hydrogène. Et les résultats laissent penser que le noyau contiendrait donc entre 0,07 et 0,36 % massique d’hydrogène. Ces tout petits pourcentages ne doivent pas être sous-estimés, car cela représente l’équivalent de l’hydrogène contenu dans 9 à 45 océans ! Soit une quantité notable.


L’hydrogène stocké dans le noyau pourrait permettre de former entre 9 et 45 océans terrestres ! © aandd, Adobe Stock

Des résultats qui soutiennent une capture de l’eau au moment de la formation de la Terre

Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature communications. Et leurs implications sont importantes. Cet hydrogène présent dans le noyau révèle que la Terre a certainement capturé la grande majorité de son eau (on rappelle en effet que l’hydrogène se lie facilement à l’oxygène pour former H2O) au moment de sa formation et non par bombardement cométaire tardif. Les chercheurs expliquent en effet que dans le cas de cette seconde hypothèse, souvent avancée, l’hydrogène serait majoritairement présent dans les niveaux les plus superficiels de la Terre, et non en son centre comme c’est observé ici.

Ces résultats restent à valider par d’autres études indépendantes, car, de l’aveu même des auteurs, certains biais expérimentaux peuvent exister.