Nature首发！中科大揭晓火星内核之谜！原来它和地球有颗相似的“心”

在浩瀚的太阳系中，火星这颗红色星球一直以来都吸引着人类探索的目光。它与地球有着诸多相似之处，不仅是研究行星内部结构与演化的绝佳样本，还是深空探测的核心目标之一。而对火星内核的探索，是解开火星诸多谜团、洞悉行星演化规律的关键所在。

图1：神秘的火星

要“透视” 行星内部，并非易事。这与医生利用 CT 扫描的X 光穿透人体来反演内部结构类似，科学家们依靠的是地震学方法，借助天然或人工震动产生的地震波来探寻行星内部的奥秘。以我们最熟悉的地球为例，直到 1936 年，丹麦地震学家英格・莱曼（Inge Lehmann）发现当地震波穿透地球核心时会出现奇特的 “折射” 现象，才首次推测出内核的存在。而彻底确认固态内核的存在，更是耗费了近半个世纪，直到 20 世纪 80 年代才得以完成。由此可见，探测行星深部结构向来充满挑战。

对于火星来说，探测其内部结构的难度更是远超地球。地球拥有成千上万个地震台站，组成了一个能够全方位捕捉地震波信息的 “监听网络”。而火星直到 2018 年，才迎来了第一个火震仪——洞察号。这就好比全地球只有一只耳朵，既难以判断震源方位，也无法精确描绘地下结构的细节。更麻烦的是，火星没有像地球那样活跃的板块运动，火震震级普遍很小。同时，火星上肆虐的沙尘暴会产生 “背景噪音”，甚至探测器自身的运行也可能干扰信号。因此，那些来自深部的关键震动，很容易被这些 “杂音” 淹没。这些难题叠加在一起，使得火星深部结构的研究始终步履维艰。

图2：火震仪（洞察号）（来自NASA）

为了突破火星内部探测的重重挑战，中国科学技术大学孙道远团队创新性地引入了火震阵列分析方法。如果说单个地震仪就像一只耳朵，只能听到声音却难以分辨其中的关键信息，那么火震阵列就如同多只耳朵协同聆听，科学家们巧妙地调整每只 “耳朵” 听到声音的时间差，再将所有声音同步叠加。这样一来，我们真正想捕捉的、微弱的深层信号就会被不断放大，而其他方向杂乱无章的噪音则会因为不同步而相互抵消。

截至目前，洞察号（InSight）已经记录了上千个火震事件。但由于多数火震震级小、噪声强，大部分事件都无法提取出有用信息。孙道远团队从上千个火震事件中精心筛选出 23 个信噪比较高的火震事件（图1c），借助火震阵列分析方法，成功提取出了穿过火星核的关键震相，比如在地表反射的 PKPPKP（P＇P＇）和在核幔边界反射的 PKKP（图1a,b）。这些看似复杂的缩写（如PKP、PKKP），其实是地震波从震源到探测器的“路径代码”。

图3：PKKP, PKiKP震相的射线路径和研究利用到的火震（来自论文Bi et al., 2025）

值得注意的是，实际观测到的 PKKP 震相到达时间，比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。我们都知道，地震波在固体中的传播速度要比在液体中快，所以这一明显的时间差异向我们揭示：火星核具有分层结构 —— 外层是液态核，而更深的地方则存在一个波速更高的固态内核。

在进一步的分析中，研究团队首次在火震数据里识别出了被视为 “固态内核标志” 的 PKiKP 震相信号。这一发现，无疑为火星存在固态内核提供了有力的直接证据。结合不同的火星内核震相数据，团队测出火星固态内核的半径约为 600 公里，约占火星半径的 1/5。有趣的是，如果把火星按比例放大到地球大小，它的内外核结构比例和地球高度接近（图2）。

同时，火震数据还显示，火星外核与内核之间存在约 30% 的波速跳变以及约 7% 的密度差异。基于这些数据，研究团队进一步对内核的矿物组成展开了分析，结果发现火星核并非由纯铁镍构成，其中还可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧以及不超过 3.8% 的碳。

图4：地球和火星深部结构对比示意图（来自论文 Bi et al., 2025）

这项关于火星内核的研究，为解开火星的诸多谜团提供了关键线索。它不仅证实了火星固态内核的存在，还揭示了其分层结构与成分，这有助于解答火星磁场为何消失、地质活动如何从活跃走向沉寂等重大科学问题。要知道，磁场对行星来说至关重要，它能保护行星表面免受太阳风的侵袭，而火星磁场的消失可能与内核的演化密切相关。通过对火星内核的研究，科学家们能更深入地了解这一过程，进而推测火星曾经是否存在适宜生命生存的环境。

通过对比火星与地球的内核结构，科学家能更清晰地理解类地行星的演化路径，探寻行星宜居性的深层规律。类地行星在形成初期可能具有相似的结构和演化起点，但在后续的演化过程中，由于各种因素的影响，走上了不同的道路。火星内核的研究成果，为我们提供了一个重要的参照，有助于我们更好地理解地球的演化，以及在宇宙中寻找其他可能存在生命的行星。

未来，随着更多火星探测器的部署，人类有望进一步揭开火星内核的神秘面纱。我们或许能更精确地测定火星内核的各项参数，了解其更详细的成分和物理性质。同时，这些研究成果也将为探索系外行星的内部世界提供重要参考。系外行星距离我们遥远，直接探测其内部结构难度极大，而火星内核的研究成果和探测方法，能为我们提供有益的借鉴，帮助我们更好地推测系外行星的结构和演化状态，让我们离理解太阳系乃至宇宙的演化奥秘更近一步。

火星内核的探索之旅才刚刚拉开序幕，每一项新的发现都在推动着人类对宇宙的认知不断向前。相信在不久的将来，我们会对这颗红色星球的 “内心” 有更深刻、更全面的了解，从而解锁更多关于行星演化的秘密。

注：本文由论文的第一作者、博士研究生毕慧星受邀撰写，是对该项研究的通俗解读，也是第一手科研视角的分享。我们特此首发，以飨读者。

参考文献

Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Nature 645, 67–72 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09361-9

撰稿：毕慧星

校阅：虫世木

美编：知行

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