中国科大最新发现！火星存在固态内核

近日，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在行星科学研究领域取得重大进展。研究团队通过深入分析美国国家航空航天局洞察号（InSight）探测器记录的火震数据，首次确证火星内部存在一个半径约600千米的固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富氧的结晶铁镍合金。北京时间9月3日，该成果发表于《自然》，并被选为《自然》期刊新闻稿。

　　火星作为太阳系内与地球环境最为相似的类地行星，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。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存在竟耗时近半个世纪，至1980年代才完成。相比之下，对火星内部结构的探索难度更大，2018年才首次获得直接观测数据。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仍严重限制了对火星深部结构的研究。

　　为突破这一挑战，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，如在地表反射的PKPPKP（P＇P＇）和在核幔边界反射的PKKP（图1a）。特别值得注意的是，实际观测到的PKKP到时，较当前仅考虑液态核的火星速度模型所预测的结果提前了50至200秒。地震波在固体中的传播速度比在液体中快。因此，这一差异表明，火星核具有分层结构：即外层为液态核，而更深部则存在一个波速更高的固态内核。

　　在进一步分析中，研究团队首次在火震数据中识别出被视为“固态内核标志”的 PKiKP 震相信号（图 1b）。这一发现为火星存在固态内核提供了证据。结合不同火核震相，团队测得火星固态内核半径约 600 公里，占火星半径的 1/5（图 2）。如将火星按比例放大至地球大小，其内外核结构比例与地球高度接近（图 2）。

　　同时，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。结果反映出，火星核并非纯铁镍构成，还可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧及不超过 3.8% 的碳。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。

　　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。研究团队创新发展的火星地震学方法，为未来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。同时，该成果标志着中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。

　　《自然》期刊审稿人高度评价这项工作，指出：“研究团队在震相拾取分析中，通过多条证据链开展了细致研究。火星地震学研究极具挑战，因此要向研究团队完成如此全面严谨的工作表示祝贺！”(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!)；并评价道：“在我看来，这是一篇极具趣味性的论文，相信它将在未来数年持续引发学界讨论！”（原文：To me, this is a really interesting paper and I think that it will generate discussion for years to come!）

　　中国科学技术大学毕慧星（博士）为本文的第一作者，中国科学技术大学孙道远教授为本文的通讯作者，中国科学技术大学毛竹教授、孙宁宇（特任副研究员）、代明伟（博士）以及德克萨斯大学奥斯汀分校的Douglas Hemingway为本文的合作者。