地球的內部是什麼？相信很多人都知道答案：地球從外到內可分爲地殼、地幔和地核三大層，其中最內部地核又分爲兩層：外核是由熔融的鐵和鎳組成的液態層，而內核則是一個高溫高壓下形成的含輕元素的固態鐵鎳合金。

地球的圈層結構（圖片來源：wikipedia）

然而，對於太陽系中與地球最爲相似的類地行星——火星，人類對它的內部結構卻知之甚少。我們現已知道火星擁有一個巨大的液態外核，但關於這個液態核的中心是否存在一個固態內核，仍是未解之謎。

火星的內部結構又是什麼樣子？（圖片來源：Future/Tobias Roetsch）

近日，中國科學技術大學孫道遠教授、毛竹教授團隊聯合國外學者在探明火星內部結構的道路上邁出了重要一步。研究團隊通過深入分析美國國家航空航天局（NASA）洞察號（InSight）探測器記錄的火震數據，首次確證火星內部存在一個半徑約600千米的固態內核，並揭示其主要成分構成可能是富含輕元素的結晶鐵鎳合金。

火星深部結構示意圖。白灰色區域爲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 製圖）

從地球到火星

探測行星的深部結構向來充滿挑戰——就拿我們最熟悉的地球來說，人類對其內部的認知就經歷了漫長的探索。1936 年，丹麥地震學家英格・萊曼（Inge Lehmann）發現，當地震波穿透腳下數千公里深的地球核心時，會出現一種奇特的“折射” 現象，傳播速度會發生異常變化，這才首次推測地球存在一個固態內核。然而，受限於觀測技術，這一洞見在隨後數十年間仍未被完全證實。

直到20世紀80年代，科學家們藉助更先進的地震波分析技術，並結合對地球自由振盪等精確數據的分析，才爲固態內核的存在提供了多重獨立的確鑿證據，最終使這一結論成爲牢固的科學共識。

1936年，英格·萊曼根據地震波數據提出地球擁有一個固態內核（圖片來源：EGU Seismology ECS Team）

對於地球的鄰居——火星，這顆同樣擁有巍峨高山、深邃峽谷和古老地表的紅色星球，目前主流模型認爲它的內部結構像個“椰子”： 最外層是以玄武岩爲主且厚度不均的岩石圈火殼；中間是硅酸鹽岩石構成的火幔；內部則是一個由液態鐵、鎳和硫等輕元素組成的巨大火核。

火星結構的主流模型（圖片來源：Science）

那麼，火星是否也像地球一樣擁有一顆“鐵心”？它的內心是依然在熾熱地湧動，還是早已冷卻沉寂？這些關於火星“內心”的謎題，正等待着科學家們去探索和解答。

探明火星內部結構，有哪些難題？

要“透視”行星內部，科學家們的核心工具是地震學——這就像醫院裏的 CT 通過 X 光穿透人體反推內部結構，地震學依靠的是天然或人工震動產生的地震波。這些看不見的“信使”主要分兩類：P波（縱波）能穿過固態和液態，就像彈簧伸縮時的振動；S波（橫波）只能在固態中傳播，類似繩子抖動時的波動。兩種波在不同材質、不同狀態的介質中穿梭時，速度和路徑會發生改變，科學家正是通過捕捉這些變化，反向勾勒行星內部的模樣。

P波和S波（圖片來源：USGS）

但在火星上探測震波，難度比地球大得多。地球有成千上萬個地震臺站組成的“監聽網絡”，而火星直到2018年“洞察號”探測器的降落才迎來第一個火震儀。這就像在整個星球上只有一隻耳朵，既難以判斷震動來自哪裏，也說不清地下結構的細節。

“洞察號”火星探測器的藝術效果圖，左下角白色圓盤即爲火震儀（圖片來源：JPL）

還有一個麻煩的問題是，火星是個相對“安靜”的星球：它沒有像地球那樣活躍的板塊運動，火震震級普遍很小，能量微弱；再加上火星上肆虐的沙塵暴會製造背景噪音，以及探測器自身運行都可能產生干擾信號，那些來自深部的關鍵震動很容易被淹沒。

模擬火星上的地震波（藝術概念圖）（圖片來源：wikipedia）

更關鍵的是，地震學本質是道“反向題”：我們看到的是地表記錄的地震波形，要推測的是看不見的內部結構。就像根據水面漣漪反推石頭的形狀，同一組波形可能對應好幾種模型。這時候就得聯合“外援”—— 行星化學分析、隕石成分研究、重力場測量等數據，才能一步步逼近真相。這些難題疊加在一起，讓火星深部結構的研究步履維艱。

全新的研究方法

爲了突破火星內部探測的重重難關，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。

通俗來講，常規的陣列分析方法就好比只用一隻耳朵去聽一羣人說話，如果離得比較遠、聲音比較小，我們就很難分辨到底是誰在發出聲音。研究團隊創新地提出陣列分析方法，相當於很多隻耳朵一起聆聽，通過互相比對，就能準確判斷聽到聲音的具體來源。

回到火星探測的場景，雖然只有一臺火震儀，但它能記錄到很多火震信號。研究團隊於是反其道而行，把不同的火震信號構成一個陣列。他們可以預先判斷出來自火星深部的信號的大致方向，然後巧妙地調整不同火震信號的時間差，再將它們同步疊加。這樣一來，我們真正想捕捉的、微弱的深層信號就會不斷放大，而其他方向雜亂無章的噪音則會因爲不同步而相互抵消。這就好比專門爲聆聽火星的“心跳聲”，定製了一個巨大的降噪系統，讓關鍵信號凸顯出來。

截至目前，洞察號已經記錄到上千個火震事件，但由於很多火震震級小、噪聲強，大部分事件都無法從中提取到有用信息。研究團隊從中精心篩選出 23 個信噪比較高的事件，藉助火震陣列分析方法，成功提取出了穿過火星核的關鍵信號，比如在地表反射的 PKPPKP（縮寫成P＇P＇）和在覈幔邊界反射的 PKKP。

這些看似複雜的英文縮寫，其實是震波從震源到探測器的“路徑代碼”。這套代碼用簡單的字母，清晰地標記了地震波在星體不同圈層穿梭的旅程：

P 代表在殼/幔中傳播的縱波；

K 代表穿過了液態外核的波（這個字母來源於德語“Kern”，意爲核）；

i 代表在內核邊界反射一次的波；

舉例來說，PKP的含義是某個地震波從殼/幔（P）進入液態外核（K），最終又返回地表接收器（P）的路徑，這是一種能高效穿透星核的波；如果PKP在地表再反射一次，就是PKPPKP；而PKKP的路徑更爲曲折，它在外核中經歷了一次反射，多走了一段路程（用第二個 K 表示），因此它攜帶着關於核幔邊界性質的獨特信息。

PKKP, PKiKP信號的射線路徑和研究利用到的火震（圖片來源：參考文獻[1]）

上圖中分別展示了PKKP等震波信號在無內核（a）和有內核（b）兩種理論情形下的傳播路徑。在實際觀測中，PKKP（橙色線條）到達時間比主流觀點中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。已知地震波在固體中的傳播速度要比在液體中快，因此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裏識別出了被視爲“固態內核標誌” 的PKiKP信號（紅色線條）。這一發現無疑爲火星存在固態內核提供了更有力的直接證據。結合不同的火核信號，團隊推測出火星固態內核的半徑約爲600公里，佔火星半徑的1/5（下圖）。

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。基於這些數據，研究團隊進一步對內核的礦物組成展開了分析，結果發現火星核並非由純鐵鎳構成，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。

地球和火星深部結構對比示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）

研究意義

這項關於火星內核的最新研究爲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，這有助於解答火星磁場爲何消失、地質活動如何從活躍走向沉寂等重大科學問題。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。

在行星科學領域，該研究突破了單臺地震儀探測的侷限，爲其他天體內部結構探測提供了新方法，同時對未來探月工程提供了重要的技術參考。月球作爲地球唯一的天然衛星，其內部結構的探索一直是探月工程的重要課題。火星探測中運用的火震陣列分析方法、多學科數據結合解讀內部結構的思路，都可爲月球內部探測提供寶貴經驗，比如更精準地探測月球內核狀態、月幔成分等，助力我們深入瞭解月球的演化歷史，爲月球資源開發、月球基地建設等規劃提供科學依據。

未來，隨着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祕面紗，甚至爲探索系外行星的內部世界提供重要參考，讓我們離理解太陽系乃至宇宙的演化奧祕更近一步。

參考文獻：

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9

作者簡介

畢慧星，中國科學技術大學博士生。