在浩瀚的太陽系中，火星這顆紅色星球一直以來都吸引著人類探索的目光。它與地球有著諸多相似之處，不僅是研究行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化的絕佳樣本，還是深空探測的核心目標(biāo)之一。而對火星內(nèi)核的探索，是解開火星諸多謎團(tuán)、洞悉行星演化規(guī)律的關(guān)鍵所在。

圖1：神秘的火星

要“透視” 行星內(nèi)部，并非易事。這與醫(yī)生利用 CT 掃描的X 光穿透人體來反演內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，科學(xué)家們依靠的是地震學(xué)方法，借助天然或人工震動產(chǎn)生的地震波來探尋行星內(nèi)部的奧秘。以我們最熟悉的地球為例，直到 1936 年，丹麥地震學(xué)家英格?萊曼（Inge Lehmann）發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卣鸩ù┩傅厍蚝诵臅r會出現(xiàn)奇特的 “折射” 現(xiàn)象，才首次推測出內(nèi)核的存在。而徹底確認(rèn)固態(tài)內(nèi)核的存在，更是耗費了近半個世紀(jì)，直到 20 世紀(jì) 80 年代才得以完成。由此可見，探測行星深部結(jié)構(gòu)向來充滿挑戰(zhàn)。

對于火星來說，探測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的難度更是遠(yuǎn)超地球。地球擁有成千上萬個地震臺站，組成了一個能夠全方位捕捉地震波信息的 “監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)”。而火星直到 2018 年，才迎來了第一個火震儀——洞察號。這就好比全地球只有一只耳朵，既難以判斷震源方位，也無法精確描繪地下結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。更麻煩的是，火星沒有像地球那樣活躍的板塊運動，火震震級普遍很小。同時，火星上肆虐的沙塵暴會產(chǎn)生 “背景噪音”，甚至探測器自身的運行也可能干擾信號。因此，那些來自深部的關(guān)鍵震動，很容易被這些 “雜音” 淹沒。這些難題疊加在一起，使得火星深部結(jié)構(gòu)的研究始終步履維艱。

圖2：火震儀（洞察號）（來自NASA）

為了突破火星內(nèi)部探測的重重挑戰(zhàn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫道遠(yuǎn)團(tuán)隊創(chuàng)新性地引入了火震陣列分析方法。如果說單個地震儀就像一只耳朵，只能聽到聲音卻難以分辨其中的關(guān)鍵信息，那么火震陣列就如同多只耳朵協(xié)同聆聽，科學(xué)家們巧妙地調(diào)整每只 “耳朵” 聽到聲音的時間差，再將所有聲音同步疊加。這樣一來，我們真正想捕捉的、微弱的深層信號就會被不斷放大，而其他方向雜亂無章的噪音則會因為不同步而相互抵消。

截至目前，洞察號（InSight）已經(jīng)記錄了上千個火震事件。但由于多數(shù)火震震級小、噪聲強，大部分事件都無法提取出有用信息。孫道遠(yuǎn)團(tuán)隊從上千個火震事件中精心篩選出 23 個信噪比較高的火震事件（圖1c），借助火震陣列分析方法，成功提取出了穿過火星核的關(guān)鍵震相，比如在地表反射的 PKPPKP（P＇P＇）和在核幔邊界反射的 PKKP（圖1a,b）。這些看似復(fù)雜的縮寫（如PKP、PKKP），其實是地震波從震源到探測器的“路徑代碼”。

圖3：PKKP, PKiKP震相的射線路徑和研究利用到的火震（來自論文Bi et al., 2025）

值得注意的是，實際觀測到的 PKKP 震相到達(dá)時間，比當(dāng)前僅考慮液態(tài)核的火星速度模型所預(yù)測的結(jié)果提前了 50 至 200 秒。我們都知道，地震波在固體中的傳播速度要比在液體中快，所以這一明顯的時間差異向我們揭示：火星核具有分層結(jié)構(gòu) —— 外層是液態(tài)核，而更深的地方則存在一個波速更高的固態(tài)內(nèi)核。

在進(jìn)一步的分析中，研究團(tuán)隊首次在火震數(shù)據(jù)里識別出了被視為 “固態(tài)內(nèi)核標(biāo)志” 的 PKiKP 震相信號。這一發(fā)現(xiàn)，無疑為火星存在固態(tài)內(nèi)核提供了有力的直接證據(jù)。結(jié)合不同的火星內(nèi)核震相數(shù)據(jù)，團(tuán)隊測出火星固態(tài)內(nèi)核的半徑約為 600 公里，約占火星半徑的 1/5。有趣的是，如果把火星按比例放大到地球大小，它的內(nèi)外核結(jié)構(gòu)比例和地球高度接近（圖2）。

同時，火震數(shù)據(jù)還顯示，火星外核與內(nèi)核之間存在約 30% 的波速跳變以及約 7% 的密度差異�；谶@些數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步對內(nèi)核的礦物組成展開了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火星核并非由純鐵鎳構(gòu)成，其中還可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧以及不超過 3.8% 的碳。

圖4：地球和火星深部結(jié)構(gòu)對比示意圖（來自論文 Bi et al., 2025）

這項關(guān)于火星內(nèi)核的研究，為解開火星的諸多謎團(tuán)提供了關(guān)鍵線索。它不僅證實了火星固態(tài)內(nèi)核的存在，還揭示了其分層結(jié)構(gòu)與成分，這有助于解答火星磁場為何消失、地質(zhì)活動如何從活躍走向沉寂等重大科學(xué)問題。要知道，磁場對行星來說至關(guān)重要，它能保護(hù)行星表面免受太陽風(fēng)的侵襲，而火星磁場的消失可能與內(nèi)核的演化密切相關(guān)。通過對火星內(nèi)核的研究，科學(xué)家們能更深入地了解這一過程，進(jìn)而推測火星曾經(jīng)是否存在適宜生命生存的環(huán)境。

通過對比火星與地球的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，科學(xué)家能更清晰地理解類地行星的演化路徑，探尋行星宜居性的深層規(guī)律。類地行星在形成初期可能具有相似的結(jié)構(gòu)和演化起點，但在后續(xù)的演化過程中，由于各種因素的影響，走上了不同的道路�；鹦莾�(nèi)核的研究成果，為我們提供了一個重要的參照，有助于我們更好地理解地球的演化，以及在宇宙中尋找其他可能存在生命的行星。

未來，隨著更多火星探測器的部署，人類有望進(jìn)一步揭開火星內(nèi)核的神秘面紗。我們或許能更精確地測定火星內(nèi)核的各項參數(shù)，了解其更詳細(xì)的成分和物理性質(zhì)。同時，這些研究成果也將為探索系外行星的內(nèi)部世界提供重要參考。系外行星距離我們遙遠(yuǎn)，直接探測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)難度極大，而火星內(nèi)核的研究成果和探測方法，能為我們提供有益的借鑒，幫助我們更好地推測系外行星的結(jié)構(gòu)和演化狀態(tài)，讓我們離理解太陽系乃至宇宙的演化奧秘更近一步。

火星內(nèi)核的探索之旅才剛剛拉開序幕，每一項新的發(fā)現(xiàn)都在推動著人類對宇宙的認(rèn)知不斷向前。相信在不久的將來，我們會對這顆紅色星球的 “內(nèi)心” 有更深刻、更全面的了解，從而解鎖更多關(guān)于行星演化的秘密。

注：本文由論文的第一作者、博士研究生畢慧星受邀撰寫，是對該項研究的通俗解讀，也是第一手科研視角的分享。我們特此首發(fā)，以饗讀者。

參考文獻(xiàn)

Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Nature 645, 67–72 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09361-9

撰稿：畢慧星

校閱：蟲世木

美編：知行

DR.STONE · 致力于地球和空間科學(xué)科普