聽見火星的“心跳”：孫道遠教授團隊揭示紅色星球的內部奧秘

2018年，美國“洞察號”探測器在火星表面成功著陸，并部署了首臺行星地震儀。從那一刻起，人類第一次真正“聽見”了火星深處的聲音。七年后的今天，中國科學技術大學地球和空間科學學院孫道遠教授及其團隊，利用這份彌足珍貴的火震數據，帶來了全新的發現——火星的確存在一個固態內核。

▲ 火星深部結構示意圖。白灰色區域為研究中利用洞察號數據檢測發現的固態內核。 圖片來源：陳磊。

近日，墨子沙龍有幸采訪到孫道遠教授與博士生畢慧星，他們以深入淺出的講述，將這一研究成果的來龍去脈娓娓道來。從火星內部結構的科學爭議，到跨學科方法的優勢與局限，再到科研背后的堅持與心路歷程，觀眾們在這場“火星之旅”中收獲了滿滿的科學知識與思考。

采訪者介紹

▲中國科大教授孫道遠（右一）團隊合影。圖片來源：中國科大。

孫道遠：中國科學技術大學地球和空間科學學院教授，研究方向為地震學。

畢慧星：中國科學技術大學博士，研究方向為火星內部結構，主要使用“洞察號”記錄的火震數據。

問：在研究之初，科學界對火星內部結構的認識主要有哪些？存在哪些爭議或未解之謎？

孫道遠：自 2018 年洞察號成功著陸并開展地震學觀測以來，我們記錄到了大量火震數據，這極大地推動了對火星內部結構的認識。研究表明，火星與地球類似，同樣存在地殼、地幔和地核的分層結構。

然而，在火星核的具體性質上，科學界長期存在爭議。首先，對核大小的估計差異較大：有些研究認為其半徑約為 1800 千米，而另一些研究則認為可能更小，大約在 1650 千米左右。其次，在成分上，地震學研究結果顯示火星核可能含有大量輕元素，如硫、碳、氧和氫。但這些含量與天體化學和巖石學實驗結果并不完全一致。盡管通過假設一個較小的核可以在一定程度上調和不同學科的沖突，但目前仍缺乏令人完全信服的解釋。

更重要的一點是，如果核確實含有較多輕元素，那么它的熔點溫度應相對較低。這意味著核會長時間維持液態，不容易像地球一樣形成固態內核。因此，在過去相當長的時間里，主流觀點認為火星不存在固態內核。

不過，目前科學界對輕元素如何具體影響火星核熔點，以及火星內部的真實溫度仍缺乏直接證據。如果能夠確認火星存在固態內核，將為揭示其核成分和溫度提供非常關鍵的信息。

問：傳統研究行星內部結構的主要方法有哪些？它們各自有什么局限性？

畢慧星：目前主要有四種方法：地球化學、礦物物理學、大地測量學以及地震學。

首先，地球化學是通過研究隕石或行星表面成分，推測其內部可能的物質構成。這種方法的局限在于，所獲取的樣品往往難以完全代表整個行星的真實內部情況。

其次，礦物物理學是在實驗室中利用高溫高壓條件模擬行星內部環境，通過實驗研究不同礦物在特定條件下的性質變化。其局限在于實驗條件有限，無法完全再現行星內部極端復雜的真實環境。

第三，大地測量學主要依靠航天探測手段，測量行星的重力場分布及形狀，從而推斷其內部的大尺度密度結構。這種方法的不足在于只能得到整體性、宏觀層面的信息，而無法揭示內部的精細結構。

最后，地震學是最直接、最常規的手段。通過分析天然事件或撞擊產生的地震波信號，可以揭示行星內部的分層結構或各向異性特征。然而，對于地外行星而言，其局限在于難以布設地震儀，因而數據獲取極為有限。以火星為例，直到 2018 年洞察號任務，我們才真正獲得了寶貴的地震學觀測數據。

孫道遠：行星磁場的測量也是一個非常關鍵的手段。例如“天問”任務在火星上的觀測，就包含磁場測量。行星的全球磁場特征反映了其核的動力學演化過程，因此對研究核性質與演化具有重要意義。不過，目前相關觀測手段仍然十分有限。

問：能否詳細介紹火星固態內核的關鍵特征？

畢慧星：根據對“洞察號”地震數據的研究結果，我們發現火星內部存在一個固態內核，半徑約 600 公里，大約占火星整體半徑的 1/5。

通過礦物成分分析表明，這一內核并非由純鐵鎳合金構成，而是可能含有一定比例的輕元素，例如硫、氧、碳和氫，與鐵鎳共同組成了火星的內核礦物成分。

孫道遠：研究結果表明，火星固態內核的半徑約 600 公里，占火星整體半徑的約 1/5，而地球內核的半徑約為 1200 公里。

在邊界性質上，地球從外核到內核的密度變化約 5%，速度變化約6%。但與地球相比有所不同：火星從外核到內核的密度跳變約為7%，波速跳變約為30%。這說明火星和地球內核的物質成分可能存在明顯差異。

在極端條件上，地球內核的壓力大約為 330–360 GPa（相當于 3.3–3.6 億個大氣壓），而火星內核的壓力僅約 40 GPa。溫度方面，目前仍存在較大不確定性，研究推測火星內核溫度約為 2000–3000 K，而地球內核溫度約為 5000–6000 K。

問：研究發現火星核并非純鐵鎳構成，還可能包含硫、氧、碳等輕元素。這意味著什么？對理解火星的形成和演化有何啟示？

孫道遠：不同行星核中輕元素含量的差異，在某種意義上反映了它們的形成與演化歷程：一方面，這可能源自最初形成時原始物質的不同；另一方面，也可能是后期行星分異過程的差異所導致。

此外，輕元素的存在對核物理性質有重要影響。例如，在純鐵中加入輕元素會降低熔點，使核在更低溫度下即可發生結晶。這意味著輕元素的多少及其在液態外核和固態內核之間的分配，對火星核的溫度和結晶過程有直接影響。

因此，如果能夠準確確定火星核的成分特征，以及輕元素在不同層次中的分布情況，就能更好地約束火星核的溫度范圍，并進一步理解火星的演化過程。研究確認火星存在固態內核，本身就為探索這些問題提供了一個非常關鍵的約束。

問：這項研究如何幫助我們解釋火星磁場從早期活躍到如今沉寂的演化歷程？

孫道遠：與地球不同，火星目前已經沒有由核“發電機”驅動的全球磁場。所謂核發電機，是指液態核內部存在對流，從而產生并維持全球磁場的機制。然如今火星缺乏這種全球磁場，但我們在火星殼中仍能觀測到很強的磁化特征，這表明在早期，火星確實存在過活躍的核發電機。

行星能否維持發電機機制，主要依賴于兩種對流模式：一是熱對流，即當核的散熱速度超過熱傳導時，會產生溫度差，從而驅動對流；二是成分對流，例如地球在內核開始結晶時，輕元素更容易留在液態外核中，在內核邊界形成密度差，輕流體上浮帶來浮力，從而維持對流。這一機制被認為是地球磁場長期存在的重要原因。

然而在火星，固態內核的存在并沒有形成類似的成分對流來驅動磁場，這可能與其核的化學組成和輕元素分布方式不同于地球有關。此外，火星核在早期可能冷卻速度很快，但目前的冷卻速度較慢，無法維持強烈的熱對流。即便存在結晶，其發生時間、速度及由此產生的密度差異都可能不足以驅動有效的對流。

誠實地說，目前我們尚不清楚火星固態內核在多大程度上影響了磁場由早期活躍到現今沉寂的轉變。但可以確定的是，這兩者并不矛盾。要真正理解其中的聯系，還需要在火星核動力學演化以及核發電機機制的模擬方面開展進一步研究。

問：您的團隊創新性地引入了火震陣列分析方法，能否通俗解釋這種方法的工作原理和優勢？

畢慧星：可以這樣來理解：在地球上常規的陣列分析方法中，如果把單個地震儀比作一只“耳朵”，它能夠聽到周圍的聲音，但如果聲音很微弱或來源復雜，就很難分辨清楚來自哪個方向。而當我們擁有許多“耳朵”同時監聽時，就能通過對比不同“耳朵”接收到的信號，更準確地判斷信號的來源。

在火星的研究中，雖然表面上只有一臺地震儀，但我們記錄到的火震事件本身具有多樣性。我們可以把不同的火震信號類比為分布在不同方位的“耳朵”。通過預先知道信號可能來自的方向，再對比它們之間的到時差，并進行同步疊加，就能把我們真正感興趣的微弱信號在眾多噪聲中凸顯出來。

與此同時，那些來自其他方向的干擾信號由于不滿足疊加條件，就會在過程中相互抵消。換句話說，這種方法就像是為探測火星內部結構量身定制了一個巨大的“降噪系統”，讓我們能夠更清晰地“聽見”隱藏在噪聲中的深部關鍵信號。

問：這項研究中創新發展的火星地震學方法，對于未來的探月任務以及探測其他星體的深部結構有何借鑒意義？

畢慧星：在這項研究中，我們針對“洞察號”單臺地震儀的數據，應用了多種方法，包括波形正演模擬、火震陣列分析、不確定性評估以及多學科交叉驗證。

這些方法的意義在于，它們突破了傳統地震學的局限。過去在地球上，研究往往依賴全球密集的臺網，而這在其他行星上幾乎不可實現。我們的工作證明，即使只依靠單臺或少數幾臺地震儀，同樣可以獲取有關行星內部的重要信息。

因此，無論是在未來的月球探測、金星探測，還是在更遙遠的冰衛星探索中，這些方法都具備借鑒價值，可以為研究其他星體的深部結構提供新的技術路徑和實踐經驗。

問：你們是如何從上千次火震數據中篩選出 23 個信噪比較高的事件進行分析的？這個過程面臨的主要挑戰是什么？

畢慧星：我們首先依托洞察號團隊提供的火震事件目錄，從中篩選出具有潛在研究價值的事件。該目錄包含每個事件的頻率信息（高頻或低頻）、是否有實時波形等。在此基礎上，我們重點關注低頻事件，因為低頻信號更容易穿透火星內部，攜帶深部結構信息。

在篩選過程中，我們將所有低頻事件的波形繪制出來，逐一檢查初至縱波和橫波是否清晰，并結合震中距和方位角等定位信息，判斷其是否滿足我們的研究范圍（如震中距在 20–40 度之間）。通過這一系列條件，最終篩選出 23 個信噪比較高、對研究有用的火震事件。

該過程的主要挑戰在于，火星環境與地球差異顯著。火星表面環境惡劣，導致地震儀器容易受到溫度變化和大氣擾動的影響，從而產生強烈的噪聲。例如，儀器自身震動帶來的毛刺信號在火震數據中很常見，而這些噪聲往往振幅較大，容易誤導分析人員，掩蓋真正的地震信號。因此，在甄別和拾取火震信號時必須格外謹慎，這也是研究火震數據的一大難點。

問：這項研究歷時多長時間？哪個階段讓你們感到最有挫折或者最有壓力？又是如何保持動力堅持下去的？

畢慧星：這項研究在 2022 年底確定課題，我從 2023 年年初開始正式開展，到今年 9 月份大約已有兩年半的時間。最讓我感到挫折的是 2023 年 4 月，當時已經投入了三個月左右的努力，但始終沒有得到自己或大家預期的結果。

那段時間我甚至直接去找孫老師，坦言自己不想繼續做下去，覺得課題可能難以完成。老師當時沒有明確地說可以或不可以，而是分享了他在博士和博后期間遇到科研困難的經歷。他提到，科研過程中不順利是普遍現象，最直接的方法就是咬牙堅持下去，往往熬過之后就會看到新的轉機。這些話讓我很受觸動，也讓我意識到自己其實還沒有真正盡全力。

因此，我開始強迫自己放慢節奏，從頭重新審視數據和代碼，逐步檢查每一步的方法是否存在問題。隨著這種有耐心的推進，最終迎來了“柳暗花明”的時刻。正是這種對問題的探索精神和解決問題的動力，讓我能夠堅持到現在。

問：你們團隊能相對較快地確認火星固態內核，最關鍵的因素是什么？

畢慧星：我認為有三個關鍵因素。第一，我們能夠借鑒地球的數據處理經驗。對于地球內部結構，我們已有較為清晰的認識，可以直接在既有的地震學理論基礎上探測火星，這是一種相對快捷和直接的方法。

第二，現代信息化時代帶來了計算能力的顯著提升。借助強大的計算資源，我們能夠基于不同模型進行數值建模和正演，推導出行星內部可能對應的波形特征。這一點在過去是難以實現的。

第三，我們在研究中針對有限的火星數據提出了一些創新的方法。例如本次工作中采用的火震陣列分析方法，使我們能夠從有限的地震記錄中提取到深部的重要信息。

這些因素結合在一起，使我們能夠比地球早期研究內核時更快地確認火星可能存在固態內核。當然，我們也承認，目前的觀測數據仍然有限，因此還不能百分之百地確認這一結論。未來需要更多探測器在火星上開展觀測，以實現對內核存在的交叉驗證。

孫道遠：我還想特別強調一點，這次成果的取得離不開整個 InSight 探測計劃及科研團隊的大量基礎性工作。他們在數據采集、分析方法和建模等方面已經做出了非常扎實的積累，這使得我們的研究能夠在相對成熟的基礎上開展。如果從零開始處理最原始的數據，工作量會非常龐大，而正是因為有了 InSight 團隊的努力，我們的工作才相對輕松得多。

當然，未來仍需要更多火震學的觀測來進一步佐證目前的結論。這一過程可能會非常漫長，甚至在幾十年內都難以實現。但我們也希望后續的深空探測計劃能夠考慮在火星上布設更多的地震儀，或者更理想的情況是建立類似于月球上即將建成的觀測臺網，從而形成一個火震的長期觀測體系。

問題：團隊是否曾遇到過看似矛盾或無法解釋的結果？如何通過團隊協作解決這些科學上的歧義？

畢慧星：在歷時兩年半的研究過程中，我們確實遇到過一些看似難以解釋的問題。比如，最初我們從地震學角度分析波形時，發現火星內部可能存在一個內核，但對于其礦物成分及演化歷史，并沒有統一認識。團隊中不同成員的研究背景發揮了重要作用：我和孫老師主要從事地震學研究；毛竹老師和孫寧老師專攻礦物物理，他們能夠從實驗和理論的角度推測可能的礦物成分；而國外的道格拉斯·海明威教授則從動力學角度提供了關于火星演化歷史的可能解釋。通過多學科的充分討論，我們將不同視角的結果與地震學的直接觀測結合起來，逐步形成了一個更為一致、也更容易被團隊接受的認識。

事實上，這個課題對我們而言本身就是一個“意外”。我們起初并沒有打算直接研究火星內核。當時的主流觀點認為火星并不存在內核，我們原本只是希望通過火震數據去約束其液態外核的速度結構。然而在分析過程中，我們發現一個現象無論如何都無法與主流模型相符，實際觀測到的信號比預測值快了大約 50–200 秒，這是非常顯著的偏差。

面對這種矛盾，我們開始反思可能的原因。后來孫老師提出，是否存在一種可能：正向波遇到最內部某個高速結構，從而導致信號提前到達。基于這一假設，我在合理的時間窗口中仔細檢查，并在疊加能量圖上找到了來自高速體邊界反射的信號，且能量清晰而強烈。我至今仍記得那個傍晚，當時大家都快下班了，我迫不及待地把這個發現分享給孫老師。我自己很激動，但老師很冷靜，只是建議我進一步做正演模擬等多角度的驗證，來確認這一現象是否可靠。

回過頭來看，這一過程既充滿不確定性，又極具探索的驚險與刺激。最終，正是這種多學科的合作與科學的謹慎驗證，使我們逐漸消除了矛盾，推動了研究向前發展。

問：不同成員負責的工作成果如何整合到一起？能否描述一下從分散數據到統一結論的過程？

孫道遠：對于我們來說，這個過程其實是相對自然的。前期主要集中在地震學方面，先建立起地震學模型；在此基礎上，再結合礦物物理和動力學的研究成果，對模型進行合理的解釋。整個過程中，多學科的交叉與銜接都比較順利。

我想特別強調的是，盡管多學科交叉研究非常重要，但在研究初期，地震學必須能夠獨立提供關于火星內核存在的直接證據，這是至關重要的。如果一開始就過多依賴其他學科的先驗信息，可能會受到當時主流觀點的局限，反而不容易發現新的結果。比如，當時大多數人認為火星不存在內核，如果我們依賴這種先驗判斷，可能就不會在地震學數據中繼續探索下去。

因此，我的體會是：多學科交叉固然重要，但在發現新問題或新現象時，某個學科必須先提供足夠強有力的獨立證據。隨后再結合其他學科進行交叉驗證和解釋，往往能夠帶來更深入和更具創新性的結論。

問：從初步結果到最終論文成稿，經歷了多少次重要的修改和完善？哪個階段的提升最明顯？

畢慧星：前后大約經歷了四次比較重要的修改和完善。其中最明顯的一次提升是在去年的 9 至 10 月份。當時我們在 8 月份收到了 Nature 審稿人的回復意見。我還記得那是一封特別長的審稿意見。以我當時作為學生的心態來看，最初其實是比較抵觸的，因為很多問題在我看來似乎并不是那么必要，但無論如何都需要逐一回應。

在這個過程中，我不得不幾乎重新做了一遍研究。從頭開始重新分析數據，梳理可能存在的誤區，避免容易踩的“雷點”，并逐一核查和驗證相關分析方法，甚至再次回溯文獻進行比對。這個過程讓我對火星地震數據的特點有了更清晰的理解，也讓我更深刻地體會到科研中嚴謹和反復驗證的重要性。

更重要的是，這次修改讓我學會了如何從審稿人的角度去看待論文成果。它不僅提升了我的科研思維能力，也讓我在閱讀他人工作時能更有針對性地提出切實可行的問題，或者在關鍵之處提出合理的質疑。這一過程對我的成長和科研訓練而言，是非常寶貴的。

問：在這個跨學科項目中，你覺得自己最大的成長是什么？學到了哪些新的技能或思維方式？

畢慧星：我認為最大的成長首先體現在科研能力上，例如文獻閱讀與整合信息的能力、使用 Python 編程進行分析的能力等，都有了顯著提升。但相比之下，更重要的收獲其實是性格和心理狀態的變化。與兩年前相比，我變得更加沉著冷靜，也多了很多耐心。過去可能會有些急躁，如今遇到問題時，能夠靜下心來思考如何解決，從而逐步培養出更多的包容和堅持。

在具體方法上，我總結了幾個對自己幫助較大的方面。第一是學會從文獻中提煉和積累關鍵信息。作為研究生，需要閱讀大量文獻，文獻中的新概念、新方法以及寫作技巧都可以積累下來，隨著時間推移逐漸內化為自己的知識儲備。第二是培養計劃與復盤的習慣。我每天早上會為自己制定詳細的任務清單，例如需要完成的文獻閱讀、代碼編寫或圖表繪制，晚上再進行自我總結，思考完成情況和不足之處，以便調整第二天的計劃。長期堅持下來，即使是難度很大的課題，也能逐步被攻克。

此外，交流與溝通同樣至關重要。科研固然需要獨立鉆研，但在關鍵階段應多與導師和組內的師兄師姐交流，避免走彎路，也能從他們的經驗中汲取很多有用的知識和方法。再者，要學會相信自己。不同同學因研究方向或進度而有所差異，看到別人進展更快時不應自怨自艾，而是要堅持自己的節奏，相信自己的能力。

最后，我認為勞逸結合非常重要。健康的體魄是克服科研困難的前提。吃好、休息好、適度運動或培養興趣愛好，都能在遇到挫折時幫助調節心態，消解負面情緒，以更積極的狀態重新面對科研問題。有時這種調整甚至會帶來“迎刃而解”或“醍醐灌頂”的效果。

這些經驗主要是我在科研過程中總結出的體會，也許并不適用于所有人，但對我個人而言確實起到了很大作用。

孫道遠：我覺得自己還沒有到能夠給別人提出系統性建議的階段。不過從我的角度來看，在博士階段最重要的一點是保持專注。現在有很多事情會干擾研究，但科研需要長期投入和專注力。與此同時，還要注意積極交流，并保持一個相對開放的心態。我認為具備這些條件，就有可能做出一些非常有價值的成果。

文章整理：林曦