火星里藏着一颗坚硬的心

景点排名 2025年09月17日 23:38 3 cc

火星是太阳系中与地球最为相似的行星，因此在行星探测中占据着重要的位置。自从开启火星探索以来，人类虽然向火星发射过各类探测器和火星车，但这些任务主要关注火星大气和火星表面，缺乏对火星内部结构的研究，而在其内部则隐藏着这颗行星起源和演化的关键线索。

中国科学技术大学火星研究团队在讨论问题。左一为论文通讯作者孙道远教授，右一为毛竹教授，中间站立者为论文第一作者毕慧星博士。（资料图）

美国国家航空航天局（NASA）于2018年发射的洞察号（Insight）火星探测器改变了这种状况，它通过对火震的探测为我们逐步揭开了火星内部的神秘面纱。中国科学技术大学的孙道远教授和毛竹教授领导的研究团队于2025年9月3日在《自然》（Nature）上发表论文，宣布他们根据洞察号获得的火震数据，首次确认火星内部存在一个半径约为600千米的固态内核，并揭示其主要成分可能是富含轻元素的结晶铁镍合金。这是人类首次在地球以外的行星中确认固态内核的存在。

探索火星深处

探索一颗行星的内部，可以了解这颗行星是如何形成的、它的核心是否有可以产生磁场的“行星发电机”以及地质构造和火山活动的起源等重要内容。但受制于探测设备和手段的限制，火星作为除地球外人类研究最多的行星，长期以来其内部结构却几乎不为人知。

研究人员将地震波视为一种探索行星内部结构的重要手段。当地震波在一颗行星内部的不同物质之间穿行时，地震波的速度和波形不同，这些变化可以帮助他们了解行星内部的结构。地球上和月球上的地震学研究表明，基于地震波的地震学观测是探测天体内部结构非常有效的方式，地核、月核等内部结构的发现都依赖于地震波探测。例如，1936年，地震学家正是通过地震波首次推测地球内核的存在。

地球板块构造活跃，因而地震频繁。相比之下，火星的板块构造几乎没有或者很弱，火星壳相当于一个巨大的板块。但是，由于火星仍在冷却中，不均匀收缩所产生的压力使得在火星壳中仍然会发生火震，只是震级普遍不高，给研究人员探测和分析火震提出了严峻的挑战。

2018年5月5日，洞察号从美国加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。经过6个多月的太空飞行，洞察号于美国东部时间2018年11月26日成功在火星的埃律西昂平原着陆，迈出探索火星深处的重要一步。洞察号的英文名字InSight是探测器全称Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport的缩写，意为“基于地震调查、大地测量与热传导的内部探索”。这个名字准确地说明了洞察号的科学目标，即通过探测火星的火震波和测量火星内部的温度来了解火星的演化历史，研究火星的内部结构和活动。也就是说，洞察号就像是要给火星做一次“体检”，给火星“测心跳”“量体温”。

为了实现探测火震的目标，洞察号携带了一台专门的火震仪。这台仪器名为“探测内部结构的地震学实验”（Seismic Experiment for Interior Structure，SEIS），由法国国家空间研究中心提供。在火星登陆后，洞察号就开始测试火震仪，并在2019年2月21日也就是到达火星后的第85个火星日完成了把火震仪布设在火星表面的工作，同时开始记录数据。至2022年年底结束任务时，洞察号的火震仪共记录到1300多次火震。

此前，已有研究人员使用洞察号的火震数据对火星的内部结构进行了研究，发现火星和地球一样分成壳层、幔层和火星核三层。而在对火星核的研究中，苏黎世联邦理工学院的西蒙·斯塔勒（Simon C. Staohler）等人于2021年7月23日发表在《科学》（Science）上的一篇论文具有代表性。在这篇论文中，他们报告了首次探测到从火星核和火星幔的边界反射的微弱火震波信号，由此确定火星核从大约地下1560千米深处开始，半径约为1830千米，这差不多是火星半径（约为3390千米）的一半。地核分为内核和外核，外核处于熔融状态而内核呈固态，但当时的研究无法确认火星核是否和地核一样。

发现固态内核

由孙道远和毛竹领导的研究团队尝试回答火星是否具有固态内核这一问题。地震学家在地球上布设了海量的地震监测设备，能够搭建起覆盖全球的监测网路，但在火星上，却仅有洞察号的火震仪这一台监测设备。面对这一挑战，他们把通常应用于地球上多个站点数据的地震阵列分析技术创新性地引入对火震的研究中，将多个火震事件中来自相近角度的震波进行时间对齐和叠加，构建虚拟阵列，显著提高深部震相的信噪比。

在行星地震学中，研究人员根据地震波在行星内部的传播方式进行分类：其中P波穿过地壳和地幔，K波穿过外核，I波穿透内核，而i波代表从内外核边缘处反弹的波。研究人员进一步将这些字母组合在一起描述地震波的传播路径。这个研究团队也利用火震波在火星内部的反射路径探索震波回声。部分火震波穿过火星，传播至另一侧后反射回来，这些折返的信号虽然线路复杂、能量微弱，却携带了核心区域的关键信息。

在这项研究中，他们选取23个信噪比较高的火震事件数据进行分析，提取出的穿过火星核的关键震相包括在地表反射的PKPPKP波和在核幔边界反射的PKKP波。而且，他们实际观测到的PKKP波到达时间，比目前认为火星只有液态核的主流模型所预测的结果提前了50-200秒。震波在固体中的传播速度比在液体中的传播速度更快，因此，震波提前到达说明火星核存在分层结构：外层是液态核，内部存在一个波速更高的固态内核。

这个团队还在火震数据中识别出能够作为“固态内核标志”的PKiKP波信号，表示地震波穿过地壳和地幔，进入行星的外核，从内核中反弹出来，再从外核返回，然后再穿过地幔和地壳。这个信号为火星存在固态内核提供了更直接的证据。这些不同的震相相互验证，共同指向同一个结论：火星确实有一个固态内核。他们还计算出火星内核的半径在600千米左右，约为火星半径的1/5，其内外核的比例与地球非常相似。

火星深部结构示意图，灰白色区域为研究中发现的固态内核。陈磊|图

斯塔勒等人在2021年发表的论文中对火星核的密度进行了计算，推测火星核的平均密度为5.7-6.3g/cm3，这意味着在构成火星核的成分中，在铁镍合金中必然富含硫和其他轻元素。孙道远和毛竹领导的这项最新研究对火星核的成分进行了更为细致的分析。火震数据显示出火震波在火星外核与内核之间传播时存在约30%的跳跃式变化，内外核之间也有约7%的密度差异。研究团队通过分析发现，火星核确实如之前研究推测的那样并非完全由纯铁镍合金构成，还可能包含12%-16%的硫、6.7%-9%的氧及不超过3.8%的碳。

这种含有轻元素的内核结构，不仅为解释火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程提供了重要线索，也为对比地球与其他类地行星的内部演化差异奠定了关键基础。在接下来的研究中，研究人员可以通过更详细和准确的建模来探索火星内部核心的形成及其对火星磁场历史的影响，了解火星如何失去了行星发电机和全球磁场。火星内核的大小和性质对于理解行星的热演化和化学演化也具有不可替代的参考价值。

中国的嫦娥五号和嫦娥六号带回月球样品，载人登月计划稳步推进；美国等其他国家也提出了各自的月球探测计划。而在火星探测中，继成功实施天问一号任务后，中国计划在2028年前后开展天问三号火星采样返回任务；美国也在筹划火星采样返回任务。此次发表的这项研究成果，有望在未来的探月、探火热潮中为利用地震学方法探测月球、火星等天体的内部结构开辟全新的研究路径。

南方周末特约撰稿鞠强

责编朱力远