听见火星的“心跳”：揭示红色星球的内部奥秘

2018年，美国“洞察号”探测器在火星表面成功着陆，并部署了首台行星地震仪。从那一刻起，人类第一次真正“听见”了火星深处的声音。七年后的今天，中国科学技术大学地球和空间科学学院孙道远教授及其团队，利用这份弥足珍贵的火震数据，带来了全新的发现——火星的确存在一个固态内核。

▲ 火星深部结构示意图。白灰色区域为研究中利用洞察号数据检测发现的固态内核。 图片来源：陈磊。

近日，墨子沙龙有幸采访到孙道远教授与博士生毕慧星，他们以深入浅出的讲述，将这一研究成果的来龙去脉娓娓道来。从火星内部结构的科学争议，到跨学科方法的优势与局限，再到科研背后的坚持与心路历程，观众们在这场“火星之旅”中收获了满满的科学知识与思考。

采访者介绍

▲中国科大教授孙道远（右一）团队合影。图片来源：中国科大。

孙道远：中国科学技术大学地球和空间科学学院教授，研究方向为地震学。

毕慧星：中国科学技术大学博士，研究方向为火星内部结构，主要使用“洞察号”记录的火震数据。

问：在研究之初，科学界对火星内部结构的认识主要有哪些？存在哪些争议或未解之谜？

孙道远：自 2018 年洞察号成功着陆并开展地震学观测以来，我们记录到了大量火震数据，这极大地推动了对火星内部结构的认识。研究表明，火星与地球类似，同样存在地壳、地幔和地核的分层结构。

然而，在火星核的具体性质上，科学界长期存在争议。首先，对核大小的估计差异较大：有些研究认为其半径约为 1800 千米，而另一些研究则认为可能更小，大约在 1650 千米左右。其次，在成分上，地震学研究结果显示火星核可能含有大量轻元素，如硫、碳、氧和氢。但这些含量与天体化学和岩石学实验结果并不完全一致。尽管通过假设一个较小的核可以在一定程度上调和不同学科的冲突，但目前仍缺乏令人完全信服的解释。

更重要的一点是，如果核确实含有较多轻元素，那么它的熔点温度应相对较低。这意味着核会长时间维持液态，不容易像地球一样形成固态内核。因此，在过去相当长的时间里，主流观点认为火星不存在固态内核。

不过，目前科学界对轻元素如何具体影响火星核熔点，以及火星内部的真实温度仍缺乏直接证据。如果能够确认火星存在固态内核，将为揭示其核成分和温度提供非常关键的信息。

问：传统研究行星内部结构的主要方法有哪些？它们各自有什么局限性？

毕慧星：目前主要有四种方法：地球化学、矿物物理学、大地测量学以及地震学。

首先，地球化学是通过研究陨石或行星表面成分，推测其内部可能的物质构成。这种方法的局限在于，所获取的样品往往难以完全代表整个行星的真实内部情况。

其次，矿物物理学是在实验室中利用高温高压条件模拟行星内部环境，通过实验研究不同矿物在特定条件下的性质变化。其局限在于实验条件有限，无法完全再现行星内部极端复杂的真实环境。

第三，大地测量学主要依靠航天探测手段，测量行星的重力场分布及形状，从而推断其内部的大尺度密度结构。这种方法的不足在于只能得到整体性、宏观层面的信息，而无法揭示内部的精细结构。

最后，地震学是最直接、最常规的手段。通过分析天然事件或撞击产生的地震波信号，可以揭示行星内部的分层结构或各向异性特征。然而，对于地外行星而言，其局限在于难以布设地震仪，因而数据获取极为有限。以火星为例，直到 2018 年洞察号任务，我们才真正获得了宝贵的地震学观测数据。

孙道远：行星磁场的测量也是一个非常关键的手段。例如“天问”任务在火星上的观测，就包含磁场测量。行星的全球磁场特征反映了其核的动力学演化过程，因此对研究核性质与演化具有重要意义。不过，目前相关观测手段仍然十分有限。

问：能否详细介绍火星固态内核的关键特征？

毕慧星：根据对“洞察号”地震数据的研究结果，我们发现火星内部存在一个固态内核，半径约 600 公里，大约占火星整体半径的 1/5。

通过矿物成分分析表明，这一内核并非由纯铁镍合金构成，而是可能含有一定比例的轻元素，例如硫、氧、碳和氢，与铁镍共同组成了火星的内核矿物成分。

孙道远：研究结果表明，火星固态内核的半径约 600 公里，占火星整体半径的约 1/5，而地球内核的半径约为 1200 公里。

在边界性质上，地球从外核到内核的密度变化约 5%，速度变化约6%。但与地球相比有所不同：火星从外核到内核的密度跳变约为7%，波速跳变约为30%。这说明火星和地球内核的物质成分可能存在明显差异。

在极端条件上，地球内核的压力大约为 330–360 GPa（相当于 3.3–3.6 亿个大气压），而火星内核的压力仅约 40 GPa。温度方面，目前仍存在较大不确定性，研究推测火星内核温度约为 2000–3000 K，而地球内核温度约为 5000–6000 K。

问：研究发现火星核并非纯铁镍构成，还可能包含硫、氧、碳等轻元素。这意味着什么？对理解火星的形成和演化有何启示？

孙道远：不同行星核中轻元素含量的差异，在某种意义上反映了它们的形成与演化历程：一方面，这可能源自最初形成时原始物质的不同；另一方面，也可能是后期行星分异过程的差异所导致。

此外，轻元素的存在对核物理性质有重要影响。例如，在纯铁中加入轻元素会降低熔点，使核在更低温度下即可发生结晶。这意味着轻元素的多少及其在液态外核和固态内核之间的分配，对火星核的温度和结晶过程有直接影响。

因此，如果能够准确确定火星核的成分特征，以及轻元素在不同层次中的分布情况，就能更好地约束火星核的温度范围，并进一步理解火星的演化过程。研究确认火星存在固态内核，本身就为探索这些问题提供了一个非常关键的约束。

问：这项研究如何帮助我们解释火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程？

孙道远：与地球不同，火星目前已经没有由核“发电机”驱动的全球磁场。所谓核发电机，是指液态核内部存在对流，从而产生并维持全球磁场的机制。然如今火星缺乏这种全球磁场，但我们在火星壳中仍能观测到很强的磁化特征，这表明在早期，火星确实存在过活跃的核发电机。

行星能否维持发电机机制，主要依赖于两种对流模式：一是热对流，即当核的散热速度超过热传导时，会产生温度差，从而驱动对流；二是成分对流，例如地球在内核开始结晶时，轻元素更容易留在液态外核中，在内核边界形成密度差，轻流体上浮带来浮力，从而维持对流。这一机制被认为是地球磁场长期存在的重要原因。

然而在火星，固态内核的存在并没有形成类似的成分对流来驱动磁场，这可能与其核的化学组成和轻元素分布方式不同于地球有关。此外，火星核在早期可能冷却速度很快，但目前的冷却速度较慢，无法维持强烈的热对流。即便存在结晶，其发生时间、速度及由此产生的密度差异都可能不足以驱动有效的对流。

诚实地说，目前我们尚不清楚火星固态内核在多大程度上影响了磁场由早期活跃到现今沉寂的转变。但可以确定的是，这两者并不矛盾。要真正理解其中的联系，还需要在火星核动力学演化以及核发电机机制的模拟方面开展进一步研究。

问：您的团队创新性地引入了火震阵列分析方法，能否通俗解释这种方法的工作原理和优势？

毕慧星：可以这样来理解：在地球上常规的阵列分析方法中，如果把单个地震仪比作一只“耳朵”，它能够听到周围的声音，但如果声音很微弱或来源复杂，就很难分辨清楚来自哪个方向。而当我们拥有许多“耳朵”同时监听时，就能通过对比不同“耳朵”接收到的信号，更准确地判断信号的来源。

在火星的研究中，虽然表面上只有一台地震仪，但我们记录到的火震事件本身具有多样性。我们可以把不同的火震信号类比为分布在不同方位的“耳朵”。通过预先知道信号可能来自的方向，再对比它们之间的到时差，并进行同步叠加，就能把我们真正感兴趣的微弱信号在众多噪声中凸显出来。

与此同时，那些来自其他方向的干扰信号由于不满足叠加条件，就会在过程中相互抵消。换句话说，这种方法就像是为探测火星内部结构量身定制了一个巨大的“降噪系统”，让我们能够更清晰地“听见”隐藏在噪声中的深部关键信号。

问：这项研究中创新发展的火星地震学方法，对于未来的探月任务以及探测其他星体的深部结构有何借鉴意义？

毕慧星：在这项研究中，我们针对“洞察号”单台地震仪的数据，应用了多种方法，包括波形正演模拟、火震阵列分析、不确定性评估以及多学科交叉验证。

这些方法的意义在于，它们突破了传统地震学的局限。过去在地球上，研究往往依赖全球密集的台网，而这在其他行星上几乎不可实现。我们的工作证明，即使只依靠单台或少数几台地震仪，同样可以获取有关行星内部的重要信息。

因此，无论是在未来的月球探测、金星探测，还是在更遥远的冰卫星探索中，这些方法都具备借鉴价值，可以为研究其他星体的深部结构提供新的技术路径和实践经验。

问：你们是如何从上千次火震数据中筛选出 23 个信噪比较高的事件进行分析的？这个过程面临的主要挑战是什么？

毕慧星：我们首先依托洞察号团队提供的火震事件目录，从中筛选出具有潜在研究价值的事件。该目录包含每个事件的频率信息（高频或低频）、定位是否准确等。在此基础上，我们重点关注低频事件，因为低频信号更容易穿透火星内部，携带深部结构信息。

在筛选过程中，我们将所有低频事件的波形绘制出来，逐一检查初至纵波和横波是否清晰，并结合震中距和方位角等定位信息，判断其是否满足我们的研究范围（如震中距在 20–40 度之间）。通过这一系列条件，最终筛选出 23 个信噪比较高、对研究有用的火震事件。

该过程的主要挑战在于，火星环境与地球差异显著。火星表面环境恶劣，导致地震仪器容易受到温度变化和大气扰动的影响，从而产生强烈的噪声。例如，仪器自身震动带来的毛刺信号在火震数据中很常见，而这些噪声往往振幅较大，容易误导分析人员，掩盖真正的地震信号。因此，在甄别和拾取火震信号时必须格外谨慎，这也是研究火震数据的一大难点。

问：这项研究历时多长时间？哪个阶段让你们感到最有挫折或者最有压力？又是如何保持动力坚持下去的？

毕慧星：这项研究在 2022 年底确定课题，我从 2023 年年初开始正式开展，到今年 9 月份大约已有两年半的时间。最让我感到挫折的是 2023 年 4 月，当时已经投入了三个月左右的努力，但始终没有得到自己或大家预期的结果。

那段时间我甚至直接去找孙老师，坦言自己不想继续做下去，觉得课题可能难以完成。老师当时没有明确地说可以或不可以，而是分享了他在博士和博后期间遇到科研困难的经历。他提到，科研过程中不顺利是普遍现象，最直接的方法就是咬牙坚持下去，往往熬过之后就会看到新的转机。这些话让我很受触动，也让我意识到自己其实还没有真正尽全力。

因此，我开始强迫自己放慢节奏，从头重新审视数据和代码，逐步检查每一步的方法是否存在问题。随着这种有耐心的推进，最终迎来了“柳暗花明”的时刻。正是这种对问题的探索精神和解决问题的动力，让我能够坚持到现在。

问：你们团队能相对较快地确认火星固态内核，最关键的因素是什么？

毕慧星：我认为有三个关键因素。第一，我们能够借鉴地球的数据处理经验。对于地球内部结构，我们已有较为清晰的认识，可以直接在既有的地震学理论基础上探测火星，这是一种相对快捷和直接的方法。

第二，现代信息化时代带来了计算能力的显著提升。借助强大的计算资源，我们能够基于不同模型进行数值建模和正演，推导出行星内部可能对应的波形特征。这一点在过去是难以实现的。

第三，我们在研究中针对有限的火星数据提出了一些创新的方法。例如本次工作中采用的火震阵列分析方法，使我们能够从有限的地震记录中提取到深部的重要信息。

这些因素结合在一起，使我们能够比地球早期研究内核时更快地确认火星可能存在固态内核。当然，我们也承认，目前的观测数据仍然有限，因此还不能百分之百地确认这一结论。未来需要更多探测器在火星上开展观测，以实现对内核存在的交叉验证。

孙道远：我还想特别强调一点，这次成果的取得离不开整个 InSight 探测计划及科研团队的大量基础性工作。他们在数据采集、分析方法和建模等方面已经做出了非常扎实的积累，这使得我们的研究能够在相对成熟的基础上开展。如果从零开始处理最原始的数据，工作量会非常庞大，而正是因为有了 InSight 团队的努力，我们的工作才相对轻松得多。

当然，未来仍需要更多火震学的观测来进一步佐证目前的结论。这一过程可能会非常漫长，甚至在几十年内都难以实现。但我们也希望后续的深空探测计划能够考虑在火星上布设更多的地震仪，或者更理想的情况是建立类似于月球上即将建成的观测台网，从而形成一个火震的长期观测体系。

问题：团队是否曾遇到过看似矛盾或无法解释的结果？如何通过团队协作解决这些科学上的歧义？

毕慧星：在历时两年半的研究过程中，我们确实遇到过一些看似难以解释的问题。比如，最初我们从地震学角度分析波形时，发现火星内部可能存在一个内核，但对于其矿物成分及演化历史，并没有统一认识。团队中不同成员的研究背景发挥了重要作用：我和孙老师主要从事地震学研究；毛竹老师和孙宁宇老师专攻矿物物理，他们能够从实验和理论的角度推测可能的矿物成分；而国外的道格拉斯·海明威教授则从动力学角度提供了关于火星演化历史的可能解释。通过多学科的充分讨论，我们将不同视角的结果与地震学的直接观测结合起来，逐步形成了一个更为一致、也更容易被团队接受的认识。

事实上，这个课题对我们而言本身就是一个“意外”。我们起初并没有打算直接研究火星内核。当时的主流观点认为火星并不存在内核，我们原本只是希望通过火震数据去约束其液态外核的速度结构。然而在分析过程中，我们发现一个现象无论如何都无法与主流模型相符，实际观测到的信号比预测值快了大约 50–200 秒，这是非常显著的偏差。

面对这种矛盾，我们开始反思可能的原因。后来孙老师提出，是否存在一种可能：正向波遇到最内部某个高速结构，从而导致信号提前到达。基于这一假设，我在合理的时间窗口中仔细检查，并在叠加能量图上找到了来自高速体边界反射的信号，且能量清晰而强烈。我至今仍记得那个傍晚，当时大家都快下班了，我迫不及待地把这个发现分享给孙老师。我自己很激动，但老师很冷静，只是建议我进一步做正演模拟等多角度的验证，来确认这一现象是否可靠。

回过头来看，这一过程既充满不确定性，又极具探索的惊险与刺激。最终，正是这种多学科的合作与科学的谨慎验证，使我们逐渐消除了矛盾，推动了研究向前发展。

问：不同成员负责的工作成果如何整合到一起？能否描述一下从分散数据到统一结论的过程？

孙道远：对于我们来说，这个过程其实是相对自然的。前期主要集中在地震学方面，先建立起地震学模型；在此基础上，再结合矿物物理和动力学的研究成果，对模型进行合理的解释。整个过程中，多学科的交叉与衔接都比较顺利。

我想特别强调的是，尽管多学科交叉研究非常重要，但在研究初期，地震学必须能够独立提供关于火星内核存在的直接证据，这是至关重要的。如果一开始就过多依赖其他学科的先验信息，可能会受到当时主流观点的局限，反而不容易发现新的结果。比如，当时大多数人认为火星不存在内核，如果我们依赖这种先验判断，可能就不会在地震学数据中继续探索下去。

因此，我的体会是：多学科交叉固然重要，但在发现新问题或新现象时，某个学科必须先提供足够强有力的独立证据。随后再结合其他学科进行交叉验证和解释，往往能够带来更深入和更具创新性的结论。

问：从初步结果到最终论文成稿，经历了多少次重要的修改和完善？哪个阶段的提升最明显？

毕慧星：前后大约经历了四次比较重要的修改和完善。其中最明显的一次提升是在去年的 9 至 10 月份。当时我们在 8 月份收到了 Nature 审稿人的回复意见。我还记得那是一封特别长的审稿意见。以我当时作为学生的心态来看，最初其实是比较抵触的，因为很多问题在我看来似乎并不是那么必要，但无论如何都需要逐一回应。

在这个过程中，我不得不几乎重新做了一遍研究。从头开始重新分析数据，梳理可能存在的误区，避免容易踩的“雷点”，并逐一核查和验证相关分析方法，甚至再次回溯文献进行比对。这个过程让我对火星地震数据的特点有了更清晰的理解，也让我更深刻地体会到科研中严谨和反复验证的重要性。

更重要的是，这次修改让我学会了如何从审稿人的角度去看待论文成果。它不仅提升了我的科研思维能力，也让我在阅读他人工作时能更有针对性地提出切实可行的问题，或者在关键之处提出合理的质疑。这一过程对我的成长和科研训练而言，是非常宝贵的。

问：在这个跨学科项目中，你觉得自己最大的成长是什么？学到了哪些新的技能或思维方式？

毕慧星：我认为最大的成长首先体现在科研能力上，例如文献阅读与整合信息的能力、使用 Python 编程进行分析的能力等，都有了显著提升。但相比之下，更重要的收获其实是性格和心理状态的变化。与两年前相比，我变得更加沉着冷静，也多了很多耐心。过去可能会有些急躁，如今遇到问题时，能够静下心来思考如何解决，从而逐步培养出更多的包容和坚持。

在具体方法上，我总结了几个对自己帮助较大的方面。第一是学会从文献中提炼和积累关键信息。作为研究生，需要阅读大量文献，文献中的新概念、新方法以及写作技巧都可以积累下来，随着时间推移逐渐内化为自己的知识储备。第二是培养计划与复盘的习惯。我每天早上会为自己制定详细的任务清单，例如需要完成的文献阅读、代码编写或图表绘制，晚上再进行自我总结，思考完成情况和不足之处，以便调整第二天的计划。长期坚持下来，即使是难度很大的课题，也能逐步被攻克。

此外，交流与沟通同样至关重要。科研固然需要独立钻研，但在关键阶段应多与导师和组内的师兄师姐交流，避免走弯路，也能从他们的经验中汲取很多有用的知识和方法。再者，要学会相信自己。不同同学因研究方向或进度而有所差异，看到别人进展更快时不应自怨自艾，而是要坚持自己的节奏，相信自己的能力。

最后，我认为劳逸结合非常重要。健康的体魄是克服科研困难的前提。吃好、休息好、适度运动或培养兴趣爱好，都能在遇到挫折时帮助调节心态，消解负面情绪，以更积极的状态重新面对科研问题。有时这种调整甚至会带来“迎刃而解”或“醍醐灌顶”的效果。

这些经验主要是我在科研过程中总结出的体会，也许并不适用于所有人，但对我个人而言确实起到了很大作用。

孙道远：我觉得自己还没有到能够给别人提出系统性建议的阶段。不过从我的角度来看，在博士阶段最重要的一点是保持专注。现在有很多事情会干扰研究，但科研需要长期投入和专注力。与此同时，还要注意积极交流，并保持一个相对开放的心态。我认为具备这些条件，就有可能做出一些非常有价值的成果。

文章整理：林曦

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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