Nature首發！中科大揭曉火星內核之謎！原來它和地球有顆相似的“心”

在浩瀚的太陽系中，火星這顆紅色星球一直以來都吸引著人類探索的目光。它與地球有著諸多相似之處，不僅是研究行星內部結構與演化的絕佳樣本，還是深空探測的核心目標之一。而對火星內核的探索，是解開火星諸多謎團、洞悉行星演化規律的關鍵所在。

圖1：神秘的火星

要“透視” 行星內部，并非易事。這與醫生利用 CT 掃描的X 光穿透人體來反演內部結構類似，科學家們依靠的是地震學方法，借助天然或人工震動產生的地震波來探尋行星內部的奧秘。以我們最熟悉的地球為例，直到 1936 年，丹麥地震學家英格?萊曼（Inge Lehmann）發現當地震波穿透地球核心時會出現奇特的 “折射” 現象，才首次推測出內核的存在。而徹底確認固態內核的存在，更是耗費了近半個世紀，直到 20 世紀 80 年代才得以完成。由此可見，探測行星深部結構向來充滿挑戰。

對于火星來說，探測其內部結構的難度更是遠超地球。地球擁有成千上萬個地震臺站，組成了一個能夠全方位捕捉地震波信息的 “監聽網絡”。而火星直到 2018 年，才迎來了第一個火震儀——洞察號。這就好比全地球只有一只耳朵，既難以判斷震源方位，也無法精確描繪地下結構的細節。更麻煩的是，火星沒有像地球那樣活躍的板塊運動，火震震級普遍很小。同時，火星上肆虐的沙塵暴會產生 “背景噪音”，甚至探測器自身的運行也可能干擾信號。因此，那些來自深部的關鍵震動，很容易被這些 “雜音” 淹沒。這些難題疊加在一起，使得火星深部結構的研究始終步履維艱。

圖2：火震儀（洞察號）（來自NASA）

為了突破火星內部探測的重重挑戰，中國科學技術大學孫道遠團隊創新性地引入了火震陣列分析方法。如果說單個地震儀就像一只耳朵，只能聽到聲音卻難以分辨其中的關鍵信息，那么火震陣列就如同多只耳朵協同聆聽，科學家們巧妙地調整每只 “耳朵” 聽到聲音的時間差，再將所有聲音同步疊加。這樣一來，我們真正想捕捉的、微弱的深層信號就會被不斷放大，而其他方向雜亂無章的噪音則會因為不同步而相互抵消。

截至目前，洞察號（InSight）已經記錄了上千個火震事件。但由于多數火震震級小、噪聲強，大部分事件都無法提取出有用信息。孫道遠團隊從上千個火震事件中精心篩選出 23 個信噪比較高的火震事件（圖1c），借助火震陣列分析方法，成功提取出了穿過火星核的關鍵震相，比如在地表反射的 PKPPKP（P＇P＇）和在核幔邊界反射的 PKKP（圖1a,b）。這些看似復雜的縮寫（如PKP、PKKP），其實是地震波從震源到探測器的“路徑代碼”。

圖3：PKKP, PKiKP震相的射線路徑和研究利用到的火震（來自論文Bi et al., 2025）

值得注意的是，實際觀測到的 PKKP 震相到達時間，比當前僅考慮液態核的火星速度模型所預測的結果提前了 50 至 200 秒。我們都知道，地震波在固體中的傳播速度要比在液體中快，所以這一明顯的時間差異向我們揭示：火星核具有分層結構 —— 外層是液態核，而更深的地方則存在一個波速更高的固態內核。

在進一步的分析中，研究團隊首次在火震數據里識別出了被視為 “固態內核標志” 的 PKiKP 震相信號。這一發現，無疑為火星存在固態內核提供了有力的直接證據。結合不同的火星內核震相數據，團隊測出火星固態內核的半徑約為 600 公里，約占火星半徑的 1/5。有趣的是，如果把火星按比例放大到地球大小，它的內外核結構比例和地球高度接近（圖2）。

同時，火震數據還顯示，火星外核與內核之間存在約 30% 的波速跳變以及約 7% 的密度差異?；谶@些數據，研究團隊進一步對內核的礦物組成展開了分析，結果發現火星核并非由純鐵鎳構成，其中還可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧以及不超過 3.8% 的碳。

圖4：地球和火星深部結構對比示意圖（來自論文 Bi et al., 2025）

這項關于火星內核的研究，為解開火星的諸多謎團提供了關鍵線索。它不僅證實了火星固態內核的存在，還揭示了其分層結構與成分，這有助于解答火星磁場為何消失、地質活動如何從活躍走向沉寂等重大科學問題。要知道，磁場對行星來說至關重要，它能保護行星表面免受太陽風的侵襲，而火星磁場的消失可能與內核的演化密切相關。通過對火星內核的研究，科學家們能更深入地了解這一過程，進而推測火星曾經是否存在適宜生命生存的環境。

通過對比火星與地球的內核結構，科學家能更清晰地理解類地行星的演化路徑，探尋行星宜居性的深層規律。類地行星在形成初期可能具有相似的結構和演化起點，但在后續的演化過程中，由于各種因素的影響，走上了不同的道路?；鹦莾群说难芯砍晒?，為我們提供了一個重要的參照，有助于我們更好地理解地球的演化，以及在宇宙中尋找其他可能存在生命的行星。

未來，隨著更多火星探測器的部署，人類有望進一步揭開火星內核的神秘面紗。我們或許能更精確地測定火星內核的各項參數，了解其更詳細的成分和物理性質。同時，這些研究成果也將為探索系外行星的內部世界提供重要參考。系外行星距離我們遙遠，直接探測其內部結構難度極大，而火星內核的研究成果和探測方法，能為我們提供有益的借鑒，幫助我們更好地推測系外行星的結構和演化狀態，讓我們離理解太陽系乃至宇宙的演化奧秘更近一步。

火星內核的探索之旅才剛剛拉開序幕，每一項新的發現都在推動著人類對宇宙的認知不斷向前。相信在不久的將來，我們會對這顆紅色星球的 “內心” 有更深刻、更全面的了解，從而解鎖更多關于行星演化的秘密。

注：本文由論文的第一作者、博士研究生畢慧星受邀撰寫，是對該項研究的通俗解讀，也是第一手科研視角的分享。我們特此首發，以饗讀者。

參考文獻

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：畢慧星

校閱：蟲世木

美編：知行

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