近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫道遠(yuǎn)教授、毛竹教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國外學(xué)者在行星科學(xué)研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過深入分析美國國家航空航天局洞察號(hào)(InSight)探測(cè)器記錄的火震數(shù)據(jù)，首次確證火星內(nèi)部存在一個(gè)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的結(jié)晶鐵鎳合金。北京時(shí)間9月3日，該成果發(fā)表于《自然》，并被選為《自然》期刊新聞稿。

火星深部結(jié)構(gòu)示意圖。白灰色區(qū)域?yàn)檠芯恐欣枚床焯?hào)數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的固態(tài)內(nèi)核。

　　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(duì)象，也是深空探測(cè)的核心目標(biāo)之一。對(duì)行星深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)向來充滿挑戰(zhàn)：以人類最熟悉的地球?yàn)槔茖W(xué)家直到1936年才通過地震波首次推測(cè)內(nèi)核的存在，而徹底確認(rèn)固態(tài)內(nèi)核存在竟耗時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，至1980年代才完成。相比之下，對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索難度更大，2018年才首次獲得火星震直接觀測(cè)數(shù)據(jù)。截至目前，盡管已記錄上千次火震數(shù)據(jù)，但信號(hào)微弱和噪聲干擾等問題仍嚴(yán)重限制了對(duì)火星深部結(jié)構(gòu)的研究。

　　為突破這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入火震陣列分析方法，通過對(duì)23個(gè)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(P'P')和在核幔邊界反射的PKKP(下圖a)。特別值得注意的是，實(shí)際觀測(cè)到的PKKP到時(shí)，較當(dāng)前僅考慮液態(tài)核的火星速度模型所預(yù)測(cè)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(gè)波速更高的固態(tài)內(nèi)核。

PKKP, PKiKP震相的射線路徑和研究利用到的火震

　　在進(jìn)一步分析中，研究團(tuán)隊(duì)首次在火震數(shù)據(jù)中識(shí)別出被視為“固態(tài)內(nèi)核標(biāo)志”的 PKiKP 震相信號(hào)(上圖b)。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(duì)測(cè)得火星固態(tài)內(nèi)核半徑約 600 公里，占火星半徑的 1/5(下圖)。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(下圖)。

地球和火星深部結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

　　同時(shí)，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(duì)進(jìn)一步對(duì)內(nèi)核的礦物組成進(jìn)行了分析。結(jié)果反映出，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(chǎng)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(duì)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(shí)了火星與地球相似的核幔分異結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展的火星地震學(xué)方法，為未來探月等任務(wù)中利用地震學(xué)方法探測(cè)月球等星體深部結(jié)構(gòu)提供了重要參考。同時(shí)，該成果標(biāo)志著中國科研團(tuán)隊(duì)在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步，彰顯了我國在行星科學(xué)與地球物理交叉研究中的創(chuàng)新能力與國際影響力。

　　《自然》期刊審稿人高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作，指出：“研究團(tuán)隊(duì)在震相拾取分析中，通過多條證據(jù)鏈開展了細(xì)致研究?；鹦堑卣饘W(xué)研究極具挑戰(zhàn)，因此要向研究團(tuán)隊(duì)完成如此全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞅硎咀ＹR!”(原文：The authors have done a detailed job of using multiple working lines of evidence for their phase detection analysis. Martian seismology is notably tough, so congratulations to the authors for doing such a thorough and careful job!);并評(píng)價(jià)道：“在我看來，這是一篇極具趣味性的論文，相信它將在未來數(shù)年持續(xù)引發(fā)學(xué)界討論!”(原文：To me, this is a really interesting paper and I think that it will generate discussion for years to come!)

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢慧星(博士)為本文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫道遠(yuǎn)教授為本文的通訊作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)毛竹教授、孫寧宇(特任副研究員)、代明偉(博士)以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Douglas Hemingway為本文的合作者。

　　相關(guān)論文信息：

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