火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的？

過去，對(duì)火星探測(cè)器“洞察號(hào)”（InSight）部署的地震儀探測(cè)到的火震數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，已經(jīng)揭示了火星最外層固體巖石層（地殼和地幔）的結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還測(cè)量了火星金屬核的大小，發(fā)現(xiàn)它至少部分是液態(tài)的。然而，關(guān)于火星更深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體圖像，仍未完全揭開。

（圖/“洞察號(hào)”提供的地震數(shù)據(jù)首次揭示了火星固態(tài)內(nèi)核的存在。）

現(xiàn)在，在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然》雜志上的研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家利用“洞察號(hào)”任務(wù)獲取的火震數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，證實(shí)了這顆紅色星球存在一個(gè)堅(jiān)實(shí)的固態(tài)內(nèi)核。

追蹤地震波

在新的研究中，研究人員利用“洞察號(hào)”探測(cè)到的震相，繪制了火星核心的結(jié)構(gòu)示意圖。在所有穿過火星核心的震相中，他們重點(diǎn)分析了兩種：P’P’波和PKKP波。

這兩類都是由“火震”產(chǎn)生的P波，它們從震源出發(fā)，穿過火星的地殼和地幔進(jìn)入地核。不同之處在于，P’P’波會(huì)穿過地核，到達(dá)火星另一側(cè)的表面后反射回來；而PKKP波則是在核-幔邊界發(fā)生反射。

如果火星存在一個(gè)固態(tài)內(nèi)核，還會(huì)出現(xiàn)第三種震相——PKiKP波，它是由P波在外核與內(nèi)核的邊界反射所產(chǎn)生的。

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谛行莾?nèi)部傳播時(shí)，遇到性質(zhì)不同的層面會(huì)部分在邊界反射，部分折射進(jìn)入下一層。這意味著一束地震波可以分裂成多個(gè)信號(hào)，這些信號(hào)被稱為“震相”。（圖/Nature）

固態(tài)內(nèi)核的證據(jù)

這次，研究人員利用了“洞察號(hào)”觀測(cè)到的23次火震數(shù)據(jù)，識(shí)別出了深入傳播到火星核心最深處的P波震相。

分析結(jié)果顯示，他們觀測(cè)到的地震波與理論預(yù)測(cè)的P’P’震相和PKKP震相的性質(zhì)一致。值得注意的是，實(shí)際探測(cè)到的PKKP波，比假設(shè)核心是完全液態(tài)時(shí)預(yù)計(jì)的到達(dá)時(shí)間提前了50～200 秒——這是符合物理規(guī)律的，因?yàn)镻波在固體中比在液體中傳播得更快。這一顯著提前的抵達(dá)時(shí)間表明，火星核心在靠近中心的部分具有更高的波速，暗示那里存在固態(tài)內(nèi)核。

此外，研究人員還探測(cè)到了PKiKP震相的地震波，這一信號(hào)為火星存在固態(tài)內(nèi)核提供了直接證據(jù)。與此同時(shí)，研究人員還進(jìn)一步在單個(gè)火震事件的地震記錄中，識(shí)別出了這些波相。

根據(jù)所測(cè)地震波的傳播時(shí)間和振幅，研究人員進(jìn)行了“反演分析”，以推斷出最能解釋這些數(shù)據(jù)的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，火星的固態(tài)內(nèi)核半徑約為613千米，約占火星半徑的18%。分析還顯示，在外核與內(nèi)核之間，火星的密度增加約7%，P波速度提高了約30%。

意義與展望

由于這項(xiàng)分析僅依賴于少數(shù)幾次具有足夠的信號(hào)幅度、能夠與背景噪聲區(qū)分開的火震事件，因此這些核心參數(shù)仍存在一定的不確定性。

盡管如此，這些結(jié)果依然為理解火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化提供了重要的科學(xué)啟示。它為我們理解火星內(nèi)部的溫度分布和化學(xué)成分提供了重要線索。更有意思的是，它還把火星過去磁場(chǎng)的興衰，與內(nèi)核的形成聯(lián)系了起來。

磁場(chǎng)是由行星內(nèi)部的“天然發(fā)電機(jī)”驅(qū)動(dòng)的，而火星的經(jīng)歷或許能幫助我們理解：為什么有些行星能維持磁場(chǎng)，保護(hù)大氣與水源，孕育出適宜生命的環(huán)境，而另一些行星卻失去了這一切。

#參考來源：

https://theconversation.com/mars-has-a-solid-inner-core-resolving-a-longstanding-planetary-mystery-new-study-264325

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02530-w

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf2966

#圖片來源：

封面圖&首圖：JPL-Caltech