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火星深部結(jié)構(gòu)示意圖?；野咨珔^(qū)域為研究中發(fā)現(xiàn)的固態(tài)內(nèi)核。陳磊/制圖

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫道遠(yuǎn)、毛竹團(tuán)隊聯(lián)合國外學(xué)者，通過深入分析美國國家航空航天局“洞察號”探測器記錄的火震數(shù)據(jù)，首次確證火星內(nèi)部存在一個半徑約600千米的固態(tài)內(nèi)核，并揭示其主要成分構(gòu)成可能是富含輕元素結(jié)晶的鐵鎳合金。9月3日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

火星作為太陽系內(nèi)與地球環(huán)境最為相似的類地行星，一直是行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化研究的重要對象，也是深空探測的核心目標(biāo)之一。對行星深部結(jié)構(gòu)的探測一直充滿挑戰(zhàn)。以人類最熟悉的地球為例，科學(xué)家直到1936年才通過地震波首次推測內(nèi)核的存在，而確認(rèn)固態(tài)內(nèi)核存在耗時近半個世紀(jì)。相比之下，對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索難度更大，2018年才首次獲得火震直接觀測數(shù)據(jù)。截至目前，火震數(shù)據(jù)盡管已記錄了上千次，但信號微弱和噪聲干擾等問題仍嚴(yán)重限制了對火星深部結(jié)構(gòu)的研究。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性引入火震陣列分析方法，通過對23個信噪比較高的火震事件數(shù)據(jù)的分析，成功提取出穿過火星核的關(guān)鍵震相，如在地表反射的PKPPKP和在核幔邊界反射的PKKP（P、K分別對應(yīng)火幔和火星外核中傳播的縱波）。值得注意的是，實際觀測到PKKP時，較當(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。地震波在固體中的傳播速度比在液體中快，因此這一差異表明，火星核具有分層結(jié)構(gòu)，即外層為液態(tài)核，而更深部則存在一個波速更高的固態(tài)內(nèi)核。

在進(jìn)一步分析中，研究團(tuán)隊首次在火震數(shù)據(jù)中識別出被視為“固態(tài)內(nèi)核標(biāo)志”的 PKiKP 震相信號（i代表在內(nèi)外核邊界反射）。這一發(fā)現(xiàn)為火星存在固態(tài)內(nèi)核提供了證據(jù)。結(jié)合不同火核震相，團(tuán)隊測得火星固態(tài)內(nèi)核半徑約600千米，為火星半徑的1/5。如將火星按比例放大至地球大小，其內(nèi)外核結(jié)構(gòu)比例與地球高度接近。

同時，火震數(shù)據(jù)顯示，火星外核與內(nèi)核之間存在約30%的波速跳變和約7%的密度差異。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊進(jìn)一步對內(nèi)核的礦物組成進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，火星核并非純鐵鎳構(gòu)成，還可能包含12%~16%的硫、6.7%~9.0%的氧及不超過3.8%的碳。這種含有輕元素的星核結(jié)構(gòu)，不僅為火星磁場從早期活躍到如今沉寂的演化歷程提供了重要線索，也為對比地球與其他類地行星的內(nèi)部演化差異奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

該研究首次在地球以外的行星中確認(rèn)了固態(tài)內(nèi)核的存在，證實了火星有與地球相似的核幔分異結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊創(chuàng)新發(fā)展的火星地震學(xué)方法，為未來利用地震學(xué)方法探測月球等星體深部結(jié)構(gòu)提供了重要參考。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09361-9

（原載于《中國科學(xué)報》 2025-09-05 第1版 要聞）