火星核心的地震學探測

2018年11月26日，美國太空總署洞察號（Insight）成功登陸在火星赤道附近。今次的探測任務最主要是在火星表面放設首台火星地震儀，開啟人類對火星內部結構直接探測的新技術。經過兩年多的運行，火星地震儀記錄到數百次有效火星上的地震訊號，其中震級達到二至四級的事件近五十次。經過國際多個研究團隊的通力合作，揭開火星地殼、火星地幔和火星地核的神秘面紗，人們終於第一次看到包括火核心在內的火星內部結構，對火星內部的物質組成也有了新的認識。該系列成果的發表具有重要意義。

類地行星核心處於行星內部的最深處，是太空探測領域最神秘的區域；同時也是類地行星能量的發源地，不僅蘊含著類地行星早期演化的重要線索，也可以通過液態鐵合金的對流產生磁場，對行星表面的環境產生重要影響。作為一顆與地球非常相似的行星，火星的磁場可以追溯到四十五億年前，一直到三十五億年左右逐漸消亡，這與火星早期可能存在生命密切相關。火星磁場如何產生，又如何消亡？火星是否曾經有過宜居環境？要回答這些重要科學問題，很大程度上依賴於人們對火星核的結構、物質組成與動力學的深入認識。

研究團隊通過對六個高訊噪比火星地震事件波形記錄的分析，成功得到火星核心的反射地震波，確認火星核心存在的證據，並對火星液態外核半徑和密度給出至今為止最為準確的數據。

研究團隊進一步採用地震數據去建立模型，包括地球物理模型和地球動力學模型的三種方法，對拾取多種震波到時間進行推演，得到了火星地幔和火星地核的縱波、橫波。由於後兩種方法利用礦物物理數據，推演結果不僅具有明顯更小的不確定度，而且還能對火星核心的密度的上下限設定約束數值。結合三種模擬方法結果，並參考火星重力和衛星軌道測量數據，得出火星核心的尺寸為1830±40公里，火星核心的密度為5.7至6.3 g/cc。

研究得到比原先預期更大的火星核心，如果將相關火星地震事件以及相對年輕活躍的塔爾西斯（Tharsis）高原投影到火星內部結構圖，可以見到火星表面很多地區是火星地震儀探測不到的陰影區。解釋本次研究能夠拾取的火星核心數據的欠缺性，也為未來火星地震儀的分佈設提供重要參考。

洞察號今次只能佈設單台火星地震儀，所能提供的有關火星核心信息較為有限，因此與火星核心有關的問題仍然有待進一步研究。例如，火星是否存在固態內核以及其內核的尺寸如何？火星核的密度是否能更精確地約束等等。在此基礎上，火星核心的成分、火星熱和動力學演化等終極問題也有待更深入的探討。未來隨著包括中國在內的世界各國火星探測任務的陸續開展，這些問題將會有更多更有力的數據。而對火星演化、特別是火星磁場產生與消亡機制、火星宜居環境變化的深刻理解，無疑也將大大促進人們對賴以生存的地球的演化規律的認知。

【圖：巴黎地球物理研究所；文：節錄自中國科學院地球科學硏究院網頁；新聞資訊由林景明提供】