近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫道遠(yuǎn)與毛竹團隊聯(lián)合國外學(xué)者，在行星科學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊通過分析美國國家航空航天局“洞察”號探測器記錄的火星地震（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)成可能是富含輕元素的結(jié)晶鐵鎳合金。

火星作為太陽系內(nèi)與地球環(huán)境最為相似的類地行星，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(biāo)之一。對行星深部結(jié)構(gòu)的探測充滿挑戰(zhàn)，以地球為例，科學(xué)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(rèn)固態(tài)內(nèi)核存在耗時近半個世紀(jì)。相比之下，對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索難度更大，2018年首次獲得火星震直接觀測數(shù)據(jù)。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然限制對火星深部結(jié)構(gòu)的研究。

為突破這一挑戰(zhàn)，該團隊創(chuàng)新性地引入火震陣列分析方法，分析23個信噪比較高的火震事件數(shù)據(jù)，提取出穿過火星核的關(guān)鍵震相，如在地表反射的PKPPKP以及在核幔邊界反射的PKKP。特別是，實際觀測PKKP時，較當(dāng)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秒至200秒。這表明，火星核具有分層結(jié)構(gòu)即外層為液態(tài)核，而更深部存在一個波速更高的固態(tài)內(nèi)核。

在進一步分析中，該團隊首次在火星上識別出被視為“固態(tài)內(nèi)核標(biāo)志”的PKiKP震相信號。這為火星存在固態(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。若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。

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，研究團隊分析了內(nèi)核的礦物組成。結(jié)果顯示，火星核并非純鐵鎳構(gòu)成，還可能包含12%至16%的硫、6.7%至9.0%的氧以及不超過3.8%的碳。這種含有輕元素的星核結(jié)構(gòu)，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，并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)。

上述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，證實了火星與地球相似的核幔分異結(jié)構(gòu)?？蒲袌F隊發(fā)展的火星地震學(xué)方法，為未來探月等任務(wù)利用地震學(xué)方法探測月球等星體深部結(jié)構(gòu)提供了重要參考。這一成果標(biāo)志著我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(xué)與地球物理交叉研究中的創(chuàng)新能力與國際影響力。

9月3日，相關(guān)研究成果以Seismic Detection of a 600-km Solid Inner Core in Mars為題，在線發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。