这个从未有人涉足的内在世界，终于揭开了神秘面纱

图片来源：IPGP/David Duros

编译｜王昱审校｜吴非行星的很多秘密都被埋藏在它们的内部。通过探测行星的内部结构，我们能探索一颗行星的起源，描绘它在亿万年漫长岁月中的演化过程。在地球上，人类通过地震波探测地球内部结构：而在火星上，“洞察号”则让我们有机会了解火星的内部组成。

就在本周，“洞察号”对火星内部结构的测定结果发表在3篇《科学》杂志论文中。利用来自“洞察号”的火星震数据，人类首次揭示了火星壳层、幔层和核心的完整结构。

如何测量

即使是在地球上，人类也无法直接触碰到地球内部深处。人类目前最深的钻井是苏联在1989年挖掘的科拉超深井，达到了12 289米深。然而，这个深度和地球6371千米的半径相比实在是相形见绌。不过，这并没有抵挡科学家探测地球内部的脚步，他们找到了了解地球内部结构的手段——地震波。当地震波穿过行星内部，它在内部的折射、反射都能揭示地球内部结构的特征。

20世纪，科学家通过这种方法陆续查明了地壳、地幔和地核的结构。而现在，科学家在火星上也能做到同样的事情了。NASA研发的“洞察号”着陆器2018年在火星降落，它是第一个肩负研究这颗红色星球内部任务的探测器。“洞察号”采用了类似于“凤凰号”的结构，用太阳能板供能。探测器着陆在火星赤道以北的埃律西昂平原西部，这里阳光充足、地势地平，而且土质细腻，是安全的着陆点，也适合安放地震仪。

图片来源：参考论文[1]

为了满足探测需要的精度，地震仪并没有集成在航天器上，而是在探测器着陆后，由探测器的机械臂像“抓娃娃”一样把它放到火星表面上，用于聆听火星震、为科学家收集来自火星内部的信号。

图片来源：NASA/JPL-Caltech

地球上大部分地震来自于板块运动时产生的断层，但火星并没有板块构造，它的壳层就像一整块巨大的板块。不过火星壳层仍然会因为不均匀冷却而产生断层，由此产生火星震。到目前为止，“洞察号”检测到了733次火星震，意味着这颗星球的震动活动比地球少，但仍比月球活跃。其中35次震级在3到4级之间，也正是它们让科学家能为我们揭开火星内部神秘。

火星结构

接下来，就让我们从火星表面开始逐渐向核心深入，依次来看看这些研究揭示了关于火星的哪些重要信息。

第一项研究揭示了关于火星壳层的详细信息。研究团队通过“洞察号”着陆点附近的火星震记录和环境波场，得到了着陆位置附近的地壳信息。通过分析火星震波信号在地壳界面中的反射和改变，他们发现火星地壳中可能具有2或3个界面。如果第二个界面是地壳的边界，则着陆点附近的壳层厚度为20千米；如果第三个是边界，那么壳层厚度应为39千米。而火星全球的壳层厚度在24～72千米之间。

另一个团队则通过8次低频火星震的直达火星震波（P波和S波）以及界面反射波（PP波、PPP波、SS波和SSS波），分析火星内部的深层结构。他们发现火星幔层范围可以抵达火星地表以下800千米处，而火星的岩石圈覆盖范围达到地下500千米，并且和地球一样，在岩石圈之下存在一个低速层。根据他们的研究，火星幔部的放射性元素含量较多，从内部加热了整颗星球。

最后一项研究则关注了火星核心。火星液态金属核心的半径在1830千米左右，接近火星半径（3390千米）的一半。较大的核心表明火星幔层只包含一个岩石层。至于核心中间是否像地球一样拥有固态的内核，目前的数据还无法确定。火星核心的平均密度为5.8~6.2克/立方厘米，比原先估计的更轻。这说明有大量较轻的元素存在于铁镍核心中。

图片来源：参考论文[4]

对科学家来说，能得到这样的数据自然令人兴奋。更何况对他们而言，得到如此振奋人心的结论并没有花费太长时间。斯塔勒说：“人类测量地球核心花了几百年；在阿波罗登月后，测量月球核心花了40年；而‘洞察号’着陆后，测量火星核心只用了两年。”

未来的探测

根据现有数据进行分析，“洞察号”观测到的大部分较强的火星震信号都来自于同一个方向：刻耳柏洛斯堑沟群（Cerberus Fossae）。这里有足够多的火山活动，或许在最近几百万年内其地下还有岩浆流动。轨道探测器也在这片区域发现了巨石滚落山坡的痕迹。

不过令人好奇的是，在那些更知名的火山活动区域，比如拥有三座巨型火山的塔尔西斯（Tharsis），并没有检测到火星震信号。这可能是因为火星核心阻止火星震波向特定方向反射，无法到达“洞察号”，由此形成了一个无法被检测的核阴影区(core shadow)。

当然，在初步得出火星结构后，科学家们绝不会止步于此。而此时，他们最期待的就是一次大于里氏4级的火星震。“我们很想看到一次较强的地震，”NASA喷气动力实验室的马克·潘宁（Mark Panning）说，“我们必须对这些数据进行非常仔细的处理，才能得到我们想要的结果。而一次较强的火星震会让这一切简单很多。”

目前，“洞察号”的太阳能面板上已经布满了灰尘，能量供应水平正在下降。上个月，“洞察号”在当天风力最强的时候，向其太阳能板附近倒了一些沙子。飞溅出来的沙子在太阳能板上滚动时，带走了更多的灰尘，相当于用沙子对太阳能板进行了“清洁”，以此增加着陆器的能量供应。

未来的几个月，火星在轨道上朝着远日点移动，“洞察号”不得不进入休眠状态。在这期间，科学家无法第一时间获得“洞察号”的数据，但是“洞察号”放置在火星表面的地震仪仍会监听火星内部。希望在“洞察号”归来时，能给我们带来更多惊喜。

参考论文：

[1]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/388

[2]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/438

[3]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/434

[4]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/443

参考链接：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/aaft-nil071921.php

https://mars.nasa.gov/news/8959/nasas-insight-mars-lander-gets-a-power-boost/?site=insight

《环球科学》