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中安在線、中安新聞客戶端訊 近日，中國科學技術(shù)大學孫道遠教授、毛竹教授團隊聯(lián)合國外學者在行星科學研究領(lǐng)域取得重大進展。研究團隊通過深入分析美國國家航空航天局洞察號（InSight）探測器記錄的火震數(shù)據(jù)，首次確證火星內(nèi)部存在一個半徑約600千米的固態(tài)內(nèi)核，并揭示其主要成分構(gòu)成可能是富氧的結(jié)晶鐵鎳合金。北京時間9月3日，該成果發(fā)表于《自然》，并被選為《自然》期刊新聞稿。
火星作為太陽系內(nèi)與地球環(huán)境最為相似的類地行星，一直是行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與演化研究的重要對象，也是深空探測的核心目標之一。對行星深部結(jié)構(gòu)的探測向來充滿挑戰(zhàn)：以人類最熟悉的地球為例，科學家直到1936年才通過地震波首次推測內(nèi)核的存在，而徹底確認固態(tài)內(nèi)核存在竟耗時近半個世紀，至1980年代才完成。相比之下，對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索難度更大，2018年才首次獲得直接觀測數(shù)據(jù)。截至目前，盡管已記錄上千次火震數(shù)據(jù)，但信號微弱和噪聲干擾等問題仍嚴重限制了對火星深部結(jié)構(gòu)的研究。
為突破這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地引入火震陣列分析方法，通過對23個信噪比較高的火震事件數(shù)據(jù)的分析，成功提取出穿過火星核的關(guān)鍵震相，如在地表反射的PKPPKP（P＇P＇）和在核幔邊界反射的PKKP（圖1a）。特別值得注意的是，實際觀測到的PKKP到時，較當前僅考慮液態(tài)核的火星速度模型所預(yù)測的結(jié)果提前了50至200秒。地震波在固體中的傳播速度比在液體中快。因此，這一差異表明，火星核具有分層結(jié)構(gòu)：即外層為液態(tài)核，而更深部則存在一個波速更高的固態(tài)內(nèi)核。
在進一步分析中，研究團隊首次在火震數(shù)據(jù)中識別出被視為“固態(tài)內(nèi)核標志”的 PKiKP 震相信號（圖 1b）。這一發(fā)現(xiàn)為火星存在固態(tài)內(nèi)核提供了證據(jù)。結(jié)合不同火核震相，團隊測得火星固態(tài)內(nèi)核半徑約 600 公里，占火星半徑的 1/5（圖 2）。如將火星按比例放大至地球大小，其內(nèi)外核結(jié)構(gòu)比例與地球高度接近（圖 2）。
同時，火震數(shù)據(jù)顯示，火星外核與內(nèi)核之間存在約30%的波速跳變和約7%的密度差異。在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步對內(nèi)核的礦物組成進行了分析。結(jié)果反映出，火星核并非純鐵鎳構(gòu)成，還可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧及不超過 3.8% 的碳。這種含有輕元素的星核結(jié)構(gòu)，不僅為火星磁場從早期活躍到如今沉寂的演化歷程提供了重要線索，也為對比地球與其他類地行星的內(nèi)部演化差異奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
該研究首次在地球以外的行星中確認了固態(tài)內(nèi)核的存在，證實了火星與地球相似的核幔分異結(jié)構(gòu)。研究團隊創(chuàng)新發(fā)展的火星地震學方法，為未來探月等任務(wù)中利用地震學方法探測月球等星體深部結(jié)構(gòu)提供了重要參考。同時，該成果標志著中國科研團隊在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步，彰顯了我國在行星科學與地球物理交叉研究中的創(chuàng)新能力與國際影響力。
《自然》期刊審稿人高度評價這項工作，指出：“研究團隊在震相拾取分析中，通過多條證據(jù)鏈開展了細致研究。火星地震學研究極具挑戰(zhàn)，因此要向研究團隊完成如此全面嚴謹?shù)墓ぷ鞅硎咀ＹR！”(原文：The authors have done a detailed job of using multiple working lines of evidence for their phase detection analysis. Martian seismology is notably tough, so congratulations to the authors for doing such a thorough and careful job!)；并評價道：“在我看來，這是一篇極具趣味性的論文，相信它將在未來數(shù)年持續(xù)引發(fā)學界討論！”（原文：To me, this is a really interesting paper and I think that it will generate discussion for years to come!）
中國科學技術(shù)大學畢慧星（博士）為本文的第一作者，中國科學技術(shù)大學孫道遠教授為本文的通訊作者，中國科學技術(shù)大學毛竹教授、孫寧宇（特任副研究員）、代明偉（博士）以及德克薩斯大學奧斯汀分校的Douglas Hemingway為本文的合作者。
