日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫道遠(yuǎn)教授、毛竹教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)外學(xué)者在行星科學(xué)研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入分析美國(guó)國(guó)家航空航天局洞察號(hào)探測(cè)器記錄的火震數(shù)據(jù)，首次確證火星內(nèi)部存在一個(gè)半徑約600千米的固態(tài)內(nèi)核，并揭示其主要成分構(gòu)成可能是富含輕元素的結(jié)晶鐵鎳合金。該成果日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

  火星作為太陽(yáng)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(duì)象，也是深空探測(cè)的核心目標(biāo)之一。對(duì)行星深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)向來(lái)充滿挑戰(zhàn)，以人類最熟悉的地球?yàn)槔?，科學(xué)家直到1936年才通過(guò)地震波首次推測(cè)內(nèi)核的存在，而徹底確認(rèn)固態(tài)內(nèi)核存在耗時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，至二十世紀(jì)八十年代才完成。相比之下，對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索難度更大，2018年才首次獲得火星震直接觀測(cè)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(hào)微弱和噪聲干擾等問(wèn)題仍嚴(yán)重限制了對(duì)火星深部結(jié)構(gòu)的研究。

  為突破這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新引入火震陣列分析方法，通過(guò)對(duì)23個(gè)信噪比較高的火震事件數(shù)據(jù)的分析，成功提取出穿過(guò)火星核的關(guān)鍵震相。地震波在固體中的傳播速度比在液體中快，經(jīng)實(shí)際觀測(cè)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(gè)波速更高的固態(tài)內(nèi)核。在進(jìn)一步分析中，研究團(tuán)隊(duì)首次在火震數(shù)據(jù)中識(shí)別出被視為“固態(tài)內(nèi)核標(biāo)志”的震相信號(hào)，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(tuán)隊(duì)測(cè)得火星固態(tài)內(nèi)核半徑約600公里，占火星半徑的1/5，其內(nèi)外核結(jié)構(gòu)比例與地球高度接近。

  研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)內(nèi)核的礦物組成進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火星核并非純鐵鎳構(gòu)成，還可能包含12%到16%的硫、6.7%到9.0%的氧以及不超過(guò)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(chǎng)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(duì)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(rèn)了固態(tài)內(nèi)核的存在，證實(shí)了火星與地球相似的核幔分異結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展的火星地震學(xué)方法，為未來(lái)探月等任務(wù)中利用地震學(xué)方法探測(cè)月球等星體深部結(jié)構(gòu)提供了重要參考。同時(shí)，該成果標(biāo)志著中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步，彰顯了我國(guó)在行星科學(xué)與地球物理交叉研究中的創(chuàng)新能力與國(guó)際影響力。