我国科学家揭秘火星固态内核

火星作为太阳系内与地球环境最相似的类地行星，一直是行星内部结构与演化研究的重要对象，也是深空探测的核心目标之一。近日，一项在线发表在《自然》杂志上的研究广受关注：中国科学技术大学孙道远教授、毛竹教授团队联合国外学者通过深入分析美国国家航天局洞察号（InSight）着陆探测器记录的火星地震数据，首次确证火星内部存在固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富含轻元素的结晶铁镍合金。《自然》期刊审稿人给予了高度评价：火星地震学研究极具挑战，相信这篇论文将在未来数年持续引发学界讨论。此次研究成果，无疑是行星科学研究领域的一个重大突破。

研究震相发现火星固态内核

此前，有国外科研人员研究洞察号的数据后认为，火星核至少具有液体部分（甚至可能全是液体），但并不确知是否具有固体。此次，火星内部存在固态内核的发现，是我国科学家通过深入研究火星地震的震相得出的。

什么是震相？举个例子：我们在群山中高呼，能听到好几次回声，这是因为山崖离我们有近有远，声波反射的路径也有长有短。同样，地震的时候，震波会在行星内部朝着四面八方传播出去，它们到达监测设备的路径也各不相同。有的震波直接传到设备；有的沿着行星球面经过若干次地壳反射；有的穿越地幔朝着行星深处去，撞到地幔与地核的交界面再反弹；有的冲进地核，在地核的另一面反弹；有的透过地幔、地核、另一边的地幔直到地壳，再从那里反弹……最终，由于震波传播时会穿过不同的行星内部结构，到达监测设备的相应路径与耗时也不同，因此在观测记录上会显示出不同的波形特征，我们称之为震相。

在地球上，人们能够并且早已布起地震接收阵列，通过多方位观测同一场地震，使用阵列分析方法就能反推地球深处的内部结构与各层性质。而对于洞察号来说，只有它这么一座监测台孤零零地落在火星上，又该如何开展这方面的研究呢？科学家想到的办法是用单个设备采集到的多次地震数据，来等效多个设备观测单次地震的结果。

研究团队从洞察号的火星地震记录中选取了23个信号质量较好的数据，引入地震阵列分析方法对数据进行叠加增强，成功提取出途经火星核的关键震相。这23起火星地震的震中距离洞察号都不远（位置夹角在40°以内），所以都具有穿越火星再从对面反射回来的震相。其中最特别的路径是：深入火星地幔-钻进火星核-在火星核对侧反射-重返这一面的火星地幔-到达洞察号。这条路径的震波到达时间比全液态火星核模型预计的提早了50秒到200秒。

震波跑得快意味着什么呢？意味着这条路径上有帮助震波提速的物质。按照人类所知的物质规律，震波在固体中的传播比在液体中快，如果火星拥有一个固态内核，那么这个现象就能被合理解释。震波在火星核内“往返跑”的途中，一去一回都会各穿越一次固态内核，就像跑步比赛跑到半路偷偷打车一样，成绩会大幅提高。研究团队还捕捉到另一个关键震相，能够夯实火星固态内核的结论。这个震相比前面所说的还要快740秒左右，它表明震波进入地幔、液态外核后，撞到内核反射回来，省掉了穿越火星核跑到对侧的一段路程。假如火星核没有固态和液态之分，就不会有这种反射震相，所以这一发现成了火星拥有固态内核的直接证据。

结合各种震相数据，研究团队反演出火星固态内核的结构。火星固态内核的半径应为613±67公里，大约是火星半径的18%，有趣的是这个比例与地球相应结构的比例非常接近。研究团队使用距离洞察号较远的另外3起火星地震对该模型进行检验，均准确预测了它们内核反射震相的到达时间，误差最大不超过3%。此外，根据计算得出的波速跳变与密度差异，研究团队进一步分析内核的组成成分后认为，火星内核并非纯铁镍构成，还可能包含12%-16%的硫、6.7%-9.0%的氧以及不超过3.8%的碳。这种含有轻元素的星核结构，不仅为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。

对研究火星宜居性意义重大

通过航天器成像、遥感技术（包括光谱观测、雷达）、着陆器与火星漫游车实地勘查等全方位的技术手段，人们对火星上曾经存在大量液态水已无争议。水的地质证据体现在巨大的溢出河道、河谷系统、三角洲、湖床以及只在液态水中形成的地表岩石和矿物上。然而，现在的火星已是一片寒冷荒芜的不毛之地，几乎所有的水都以冰的形式存在，在大气层中只有少量的水汽偶然能短暂地凝结成露珠。

火星缺乏液态水的直接原因是大气层极其稀薄，表面的平均气压还不到地球标准大气压的1%。在这么低的气压下，所谓的常温液态水轻轻松松就达到了沸点，消散在空中了。更深层的原因是，火星核心的行星发电机早在30多亿年前就已停转，无法产生磁场来罩住自身的大气层。裸露在浩浩荡荡的太阳风中，火星的大气每时每刻都在剥离。稀薄的大气容不下液态水，也留不住热量，随着岁月更迭，火星的宜居性一天天消散。

反观地球，太阳风中的高能带电粒子还没攻到大气层，就随着笼罩全球的磁场不由自主地拐向两边了。只有少数漏网之鱼沿着地球两极俯冲而下，形成绚丽的极光。如果有机缘看到极光，要明白它是地球奋勇抗击太阳风的一线战场，更要感谢地球披挂的这件磁场“金钟罩”。

因此，许多科幻作品的“火星移民计划”都把重建火星磁场作为首要条件，甚至不惜拖来一颗小行星试图“砸醒”火星——尽管在火星的历史上，它的行星发电机很有可能就是被小行星砸停的。广为科学界接受的行星发电机理论指出，要想诱发行星产生磁场，要满足3个条件：1.大量可导电流体，如熔融的铁镍；2.行星自转；3.热或化学的内部能源，以驱动流体产生对流。前两个条件，火星很容易就满足了。而按照这次的研究成果，火星存在内核结晶的过程，似乎也能满足第三个条件。

但研究团队认为，结晶驱动的发电机取决于许多因素，包括核心结晶的速率和方式，以及轻元素在固液之间的分配方式。早期火星的核心冷却迅速，能够启动行星发电机，但现在的冷却速度已经大大降低，无法再驱动热对流了。此外，尽管内核结晶仍在进行，但由于进展太慢或密度对比不足等原因，还是无法重启发电机。要想深入了解火星内核的形成过程及其对发电机演化的影响，需要更详细的建模，并进一步探明火星核的成分以及火星地幔的黏度。这些研究对于阐明火星内部动力学以及了解水星和木卫三等其他星球的发电机机制也具有重要意义。

我国行星探测研究迈出关键一步

为什么科学家对火星这么感兴趣？提起火星，我们总说它是地球的近邻，在太阳系所有的类地行星中，其自然环境与地球最接近——位于太阳系宜居带外缘，拥有大气，具有与地球相近的自转倾角和昼夜时长。然而，人类探测火星还有更深层的独特原因。

火星被视为一个经典的类地行星演化样本，之所以这么说，是因为它大到足以经历最初的内部加热和分化过程，形成具有核幔结构的岩质行星；同时，它又足够小，能够在几十亿年内保留这些过程的演化痕迹，在其自身结构中，可能包含了太阳系行星形成与演化过程最完整、最准确的记录。所以，无论往大了还是往小了说，火星都是一颗“兼容性”很好的星球。

火星研究的方法与成果，也能为其他天体的探测研究提供思路。中国科学技术大学的这项研究确认了固态内核的存在，证实了火星与地球相似的核幔分异结构，为地球的形成演化过程提供了宝贵的对照组。研究团队创新发展的火星地震学方法，也能为未来深空探测任务中研究月球等星体的深部结构提供重要参考。可以说，这项研究成果标志着我国科研团队在行星内部结构探测领域迈出关键一步，彰显了我国在行星科学与地球物理交叉研究中的创新能力与国际影响力。

这次研究是在国际同行的原始数据基础上开展的，在原始数据的采集和积累领域，我国虽然起步较晚，却正以惊人的速度奋起直追。2020年发射的天问一号火星探测任务（含祝融号漫游车）已经取得圆满成功，获得了火星的大量实地一手资料：从祝融号的火星表面成分探测器获取的数据中，科学家发现了富含含水硫酸盐等矿物的板状硬壳层；从祝融号的火星次表层探测雷达实测数据中，发现地下深处存在多层倾斜沉积结构，提供了火星北部平原曾存在古代海洋的关键证据，揭示了火星曾经历过长期温暖湿润的宜居气候期。

2028年，天问三号将启程，执行世界上首次火星采样返回任务。我国科学家寄希望于天问三号探寻火星潜在的生命痕迹，探研地质和内部结构特征，探查大气循环与逃逸过程，最后取得类地行星宜居性演化研究的重大发现。

延伸阅读

探测火星的洞察号任务

洞察号的全称是“震波、测地和热传输法内部探测任务”，英文缩写是InSight，也就是“洞察”。其科学目标是：通过对火星内部结构的调查，了解类地行星的形成与演化，并确定火星当前的构造活动水平与陨石撞击率。

洞察号于2018年5月5日发射升空，同年11月26日在火星赤道附近的埃律西昂平原着陆。挑选这里着陆主要考虑的因素是：赤道附近阳光充足，可以确保太阳能供电；地势较低，大气也较为稠密，着陆时能够有足够时间进行大气制动；平坦的地貌可以降低着陆时的难度，并且有利于钻地作业。

当时，洞察号携带了3个科学载荷：

内部结构地震实验（SEIS）其实是一部地震仪，也是地球科学家使用的火星地震数据的源头。它的模样就像一个蒙古包，放置在火星表面，耐心地等待着火星地震或陨石撞击带来的震动。它能够测量风速风向、气压、温度与磁场，用于排除天气带来的扰动，还可以感知火星常见的沙尘暴天气造成的表面震动。

热流和物理性质探测器（HP3）设计为一个可以深入地下5米的温度传感器阵列，由此得了个外号“鼹鼠”。它用于测量有多少热量从火星内部流出，以及揭示热量的来源，有助于科学家了解火星的物质构成和演化过程。

自转和内部结构实验（RISE）使用X波段通信系统对火星运动进行精确跟踪，可以测量火星运行时极轴的摆动幅度。就像生鸡蛋转起来总是摇摇摆摆一样，通过测量这种摇摆，有助于确定火星核心是不是液体，并估测其成分构成。

2018年12月7日，洞察号第一次“听”到了火星上的风声。2019年4月6日，SEIS检测到了着陆后的首次火星地震。RISE的运行也一直顺利，但遗憾的是“鼹鼠”尝试了一年半，最多只能钻到地下30厘米深，无法继续开展任务。

洞察号的任务设计是709个火星日（2个地球年），但它足足工作了1440个火星日（4个地球年零19天），最终因沙尘在太阳能板上堆积而结束了探测任务。

（作者为中国科普作家协会会员）

责任编辑：王梓辰

文章来源：http://www.71.cn/2025/0924/1273421.shtml