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火星存在固态内核示意图：紫红色震波为穿透行星内核或在内核反射的震波，PKiKP是火星存在固态内核的直接证据；浅褐色震波为未与行星内核发生作用的震波

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

对行星深部结构的探测向来充满挑战，以人类最熟悉的地球为例，科学家直到1936年才通过地震波首次推测内核的存在，而彻底确认固态内核的存在耗时近半个世纪。相比之下，对火星内部结构的探索难度更大。截至目前，尽管已记录上千次火震数据，但信号微弱和噪声干扰等问题严重限制了对火星深部结构的研究。

为应对这一挑战，研究团队创新性地引入火震阵列分析方法，通过对23个信噪比较高的火震事件数据的分析，成功提取出穿过火星核的关键震相。实验结果表明，火星核具有分层结构，即外层为液态核，更深部则存在一个波速更高的固态内核。

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。

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。火震数据显示，火星外核与内核之间存在约30%的波速跳变和约7%的密度差异。在此基础上，研究团队进一步对内核的矿物组成进行了分析。结果表明，火星核并非纯铁镍构成，还可能包含硫、氧、碳等其他元素。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。

研究人员表示，该研究首次在地球以外的行星中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。此次研究工作中创新发展的火星地震学方法，为未来在探月等任务中，利用地震学方法探测月球等星体深部结构提供了重要参考。

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。

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。

编辑：郭寿权