火星就像是縮小版的地球……

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這張示意圖展現45億年前巨型小行星撞擊火星的情景。如此規模的災難性撞擊可能造就了如今散落于火星地幔內的碎片團塊。

三年前，美國宇航局（NASA）洞察號火星探測器的太陽能電池板被火星塵埃覆蓋，故而無法繼續作業并最終退役。但任務傳回的數據持續揭示著紅色星球的奧秘，尤其在于它與地球的異同。

9月3日，《自然》雜志報道重磅發現：火星內核最深處的物質呈固態而非液態，這與地球的情況一致。

而根據《科學》雜志8月底介紹的另一項成果，火星地幔里充滿了古老的巨型物質團塊，或來自早期天體相撞形成的碎片；由于厚重遲滯的火星幔攪不散雜質，碎塊在數十億年后的今天仍可提供火星內部結構的地震學側寫。

上述研究幫助學界梳理出火星歷史脈絡，包括它曾經歷的劇烈撞擊事件以及失去磁場的緣由。基于新發現，我們有望深入理解其他巖質行星，甚至推定銀河系星球適宜生物存活的必要條件。

曾是洞察號科學團隊成員的美國布朗大學行星科學家英格麗·多巴爾(Ingrid Daubar，未參與新工作)表示：“我們可以基于對火星的洞察，進一步探究地球乃至所有太陽系行星的形成與演變，或許還會收獲關于系外行星的更多見解。”

上圖示意了火星內部結構剖面，其中左上方流星體撞擊火星表面所產生的震波，被右上方的洞察號著陸器捕獲

地球早期的地質歷史難以解讀，因為地殼一直變化——驅動力來自活躍的構造板塊運動，它們持續推動地表與地幔間的物質循環。火星則截然不同，火星地殼如同一個能凍結時間的單體保護層，使內部結構自形成以來就始終保持原貌。

“聆聽”地震波在火星內部傳播時的震動，是繪制火星內部結構圖的一項關鍵技術。由NASA噴氣推進實驗室于2018年發射的洞察號在火星表面部署了地震儀，后者任務期間累計記錄下超過1300次地震波。

2022年4月24日(任務的第1211個火星日)，洞察號從火星表面傳回的最后一張自拍照

《科學》新研究的作者團隊分析了8次火星地震。他們發現，地震波以不同頻率穿過火星內部，其中高頻震波比低頻震波延遲數十秒。

論文第一作者康斯坦蒂諾斯·查拉蘭布斯(Constantinos Charalambous)表示，模擬結果表明火星震波被地幔里異常的物質團塊散射并減速，“就像聲納穿過水下的巨石群”。這位英國帝國理工學院的行星科學家就此進一步作出解釋：

高頻震波波長較短，更易受小碎片影響。當然，“小”是相對而言的，畢竟這些碎塊里有相當一部分“大塊頭”寬度超過3公里，碎片的分布深度可達火星地表以下約1400公里。如此分散的狀態似乎表明碎片形成受巨大能量驅動。

顯然，撞擊事件完全符合特征。查拉蘭布斯的同事托馬斯·派克(Thomas Pike)推測，一系列劇烈碰撞可能將小行星或其他天體的碎片注入火星內部，這些物質能存留數十億年之久，說明火星地幔厚重而運動遲緩，難以完全攪散碎塊。

與之相對的是火星內核的特征。根據《自然》新作介紹，中國科學技術大學團隊分析了低頻震波，基于20多次火星地震的數據，發現穿過“火核”最深處的震波比全液態核模型的預測提前200秒抵達地震儀。

文章第一作者孫道遠指出，分析結果表明火星內核由固態內層和包裹內層的液態外層構成。火星震波在半徑約600公里的固態內核中傳播速度更快。

地球內核同樣呈“內固外液”的結構。不過地幔持續循環，會不斷從核心汲取熱量并促使液態外核部分產生對流，這使得地球周圍形成可阻擋有害太陽輻射的磁場，極光現象也由此而來。

相比之下，火星卻不具有磁場。部分原因可能在于火星地幔運動遲緩的特性令其無法有效從核心汲取熱量。

從剖面結構來看，火星就像縮小版地球——內核、外核和地幔的規模均按比例縮小

除地球外，目前我們只對火星這顆太陽系行星作地震學研究。不過NASA計劃于2027年發射的“月球背面地震測量套件”(Farside Seismic Suite)任務，會采用相同技術探測月球內部結構。2028年，NASA還將發射搭載地震儀的蜻蜓號無人機探測器，以探索土星最大衛星泰坦星冰殼下的奧秘。

從其他巖質星球獲取的知識，最終會成為科學家了解地球的參考。

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