首次揭示火星核心的秘密：“洞察”号数据带来了哪些新发现？

火星是太阳系中最引人注目的行星之一，它有着红色的表面，巨大的火山和峡谷，以及薄薄的大气层。而火星的内部结构和性质一直是科学界的一个重要课题。火星是否有核心？成分如何？对火星的演化和未来有何影响？

最近，这些问题终于得到了一些答案。2021年的两场火星地震，或者说“火震”（marsquake）的地震波深入到了火星的核心，为科学家提供了关于火星内核大小和成分的最佳数据。

美国航空航天局（NASA）的“洞察”号（InSight）探测器于2018年11月着陆火星，它携带了一个地震仪，可以探测到火星上发生的地震。2022年12月，NASA就宣布了“洞察”号的退役，但科学家仍会在未来几十年内仔细研究来自“洞察”号地震仪的大量数据。通过分析地震仪在2021年从两场火震中探测到的地震波，以及这些地震波在火星内部传播的速度和路径，科学家们已经能够推断出打破此前认知的火星内部结构和性质，那就是火星的液态铁核心比实际上更小、更密。

最新的研究成果于2023年4月24日发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academies of Sciences）上，题为《首次观测火星上的核心穿越地震相位》（First observations of core-transiting seismic phases on Mars），它标志着有史以来对另一颗行星内核进行的第一次直接观测。

这两次火震分别发生在2021年8月25日和9月18日，是“洞察”号团队首次发现的起源于与登陆器相反的行星一侧的火震，也就是所谓的远震，距离“洞察”号探测器约180度。这样的位置对于探测核心是最有利的，因为地震波可以穿越整个行星。但是，这也意味着地震波在到达探测器之前会损失很多能量，所以只有很大的火震才能被探测到。

“洞察”号不仅仅是一项火星任务。它的团队成员希望揭开包括地球在内的岩质行星形成和演化的奥秘。

视频来源：NASA/JPL-Caltech

字幕制作：哇喳@NASA爱好者

论文的第一作者、英国布里斯托尔大学（University of Bristol）的地球科学家杰西卡·欧文（Jessica Irving）说：“我们需要运气和技巧来找到这些地震，然后加以利用。远震本质上更难探测，因为大量的能量在地震波穿过火星时会有所损失或被转移走。”

欧文指出，这两次火震是在“洞察”号任务在火星上运行了整整一年多（大约两个地球年）之后发生的，这意味着火震服务（Marsquake Service），即最初对地震仪进行调试的科学家们已经磨练了他们的技能。流星体撞击造成了这两次火震中的一次，这也很有帮助，撞击为地震学家提供了一个精确的位置和更准确的数据。（由于火星没有构造板块，大多数火星地震是由断层或岩石裂缝引起的，这些断层或岩石裂缝是由于热力和应力而在行星壳层中形成的。）火震规模的大小也是影响探测的一个因素。

“这两个远震是‘洞察’号探测到的较大的火震。”位于美国南加州的NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的“洞察”号首席调查员布鲁斯·班纳特（Bruce Banerdt）说，“如果它们的规模没有那么大，我们就不可能探测得到。”

这种穿越星球核心的地震波被称为SKS波，它在进入核心时由横波变为纵波，穿出核心时又变回横波。通过测量SKS波相对于只在地幔中传播的地震波的走时差，科学家们可以限定火星核心的半径、密度、弹性模量等参数。

根据这些参数，研究人员构建了基于地震数据的火星核心模型，并估计了其化学成分。他们发现，火星核心比之前预测的要小一些，中位数半径为1780～1810千米，也更致密一些，中位数密度为6.2～6.3克/立方厘米，在核幔边界处的纵波速度为4.9～5.0千米/秒。他们还推断出，火星核心含有约20%～22%的轻元素（主要是硫、氧、碳和氢），这让它保持液体状态。

这些结果对于理解火星的形成、演化和未来有重要意义。例如，火星核心相对较小和较密意味着它很难产生稳定的磁场，而磁场对于保护行星免受太阳风侵蚀和维持温暖湿润的环境至关重要。因此，火星可能从一个曾经适合生命存在的环境演变成了现在的寒冷干燥状态。另外，火星核心中轻元素的含量也反映了它与其他行星核心（如地球和水星）的不同。

另一个有趣的细节是，这两次火震都发生在“洞察”号探测器的“阴影区”内。阴影区是指那些地震波会被折射或反射而远离探测器的区域，发生在这些区域的火震信号很难到达“洞察”号，除非它的规模非常大。探测穿过阴影区的地震波是非常困难的，而“洞察”号团队用他们在火星上的一台地震仪就做到了这一点，这就更加难得。（相比之下，地球上分布着许多地震仪。）

欧文说：“整个‘洞察’号团队运用了大量的地震学专业知识，从着陆器记录的复杂地震图中找出信号。”

论文的共同作者之一、苏黎世联邦理工学院（ETH Zuric）的金道渊（音，Doyeon Kim）说：“确定行星核心中这些元素的数量，对于理解太阳系中行星形成时的条件，以及这些条件如何影响形成的行星非常重要。”

这是“洞察”号任务一直以来的核心目标：研究火星的深层内部，帮助科学家了解所有岩质行星是如何形成的，包括地球及月球。“洞察”号探测器虽然已经结束了它的任务，但它收集到的火震数据仍然存在很多的价值。科学家还可以利用这些数据来研究火星其他层次的结构和性质，比如地幔、地壳和岩石圈。他们还可以寻找更多穿越核心的地震波，以及其他类型的地震波，比如反射波和表面波。通过这些数据，我们可以更深入地了解火星内部的奥秘。

“洞察”号任务的更多相关信息

JPL为NASA的科学任务理事会（Science Mission Directorate）主导和管理洞察号火星探测任务。洞察号任务是NASA“发现计划”（Discovery Program）的一部分，由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center，MSFC）管理。洞察号探测器（包括巡航级和着陆器）由位于丹佛的洛克希德·马丁太空空间系统公司（Lockheed Martin Space Systems Company，LMT）制造，LMT同时还支持了探测器的飞行任务。

包括法国国家空间中心（Centre National d'Études Spatiales，CNES）和德国航空航天中心（DLR）在内的许多欧洲合作伙伴正在为洞察号火星探测任务作出贡献。CNES向NASA提供了内部结构地震实验仪（SEIS），主要研究者来自巴黎地球物理研究所（Institut de Physique du Globe de Paris，IPGP）。为SEIS作出了重大贡献的机构包括法国IPGP、德国马克斯普朗克太阳系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research，MPS）、瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology，即苏黎世联邦理工学院ETH Zurich）、伦敦帝国理工学院（Imperial College London）、英国牛津大学（Oxford University）以及美国NASA喷气推进实验室（JPL）。DLR提供了热流和物理特性探测仪（HP3），波兰科学院（Polish Academy of Sciences）的空间研究中心（Space Research Center，CBK）和波兰的Astronika公司则对此作出了重要的贡献。温度和风力传感器由西班牙天体生物学中心（Centro de Astrobiología，CAB）提供。

参考来源：[1] Irving, J. C. E. et al. (2023) First observations of core-transiting seismic phases on Mars. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 120(18), e2217090120. Available at: https://doi.org/10.1073/pnas.2217090120 (Accessed: 29 April 2023).[2] NASA (2023) NASA InSight Study Provides Clearest Look Ever at Martian Core. Available at: https://mars.nasa.gov/news/9387/nasa-insight-study-provides-clearest-look-ever-at-martian-core/ (Accessed: 29 April 2023).[3] NASA (n.d.) Mars Exploration Program. Available at: https://mars.nasa.gov/ (Accessed: 29 April 2023).[4] YouTube (n.d.) Mars InSight: A Plan to Get to the Core of the Red Planet. Available at: https://www.youtube.com/watch?v=LKLITDmm4NA (Accessed: 29 April 2023).