科学家发现火星的内部结构与地球相似。美国宇航局“洞察号”探测器的结果表明，这颗红色行星拥有一个固态内核，其外层则包裹着液态内核，这或许能解开一个长期悬而未决的谜团。

这项研究发表在《自然》杂志上，对我们理解火星的演化过程具有重要意义。数十亿年前，这颗行星可能拥有更厚的大气层，允许液态水在表面流动。

这种较厚的大气层可能像地球一样，是由一个保护性的磁场维持的。然而，如今的火星却缺乏这样的磁场。科学家们一直怀疑，这颗红色星球的大气层是否随着时间的推移逐渐向太空流失，最终变成了如今寒冷干燥的沙漠。

地球的一个关键特性是其核心由固体核心和液体外核组成。液体层内的对流形成了一个发电机，从而产生磁场。该磁场使太阳抛射出的带电粒子发生偏转，防止它们随着时间的推移剥离地球大气层，从而形成我们所知和所享受的宜居环境。

根据地壳的残余磁化强度，我们认为火星曾经存在过磁场，其可能源于类似地球的核心结构。然而，科学家们认为，火星的核心在其历史上的某个时刻肯定已经冷却并停止运动。

火星表面有大量证据表明液态水曾经流动，暗示着火星过去拥有更加宜居的环境。这些证据形式多样，包括水下形成的富含矿物质的干涸湖床，以及河流溪流雕琢出的险峻山谷。然而，如今火星大气稀薄，所需数量的水资源却无处可寻。

美国宇航局洞察号火星着陆器上地震仪的团队首次发现了火星核心，并确定它实际上仍然是液态的。现在，中国科学技术大学合肥分校的毕慧星及其同事的最新研究结果表明，液态核心内部可能还存在一层固体层。

火星内部结构的本质一直是个引人入胜的谜团。它是否也曾像地球一样，在固体中心周围包裹着一层动态的液体层?还是火星较小的体积阻碍了这种结构的形成?一颗行星要有多大才能像地球一样受到磁场的保护，并维持宜居的气候?

要了解火星的演化历程，我们需要了解火星的现状。这些关于火星大气、水和核心的问题，促成了多项备受瞩目的火星探测任务。NASA的火星探测器“勇气号” 、 “机遇号”、“好奇号”和“毅力号”研究了火星表面的矿物学，欧洲航天局的“ExoMars”微量气体轨道器正在研究水循环，NASA的“Maven”号航天器正在研究大气向太空的流失，NASA的“洞察号”着陆器则被派去研究地震活动。

2021年，瑞士苏黎世联邦理工学院的西蒙·施塔勒(Simon Stähler)及其同事发表了一篇关于洞察号任务的开创性论文。在论文中，他们分析了洞察号附近火星地震产生的地震波穿过火星的方式：穿过地幔，穿过地核，然后在火星另一侧反射并到达洞察号。

他们首次探测到地核存在的证据，并能够确定其大小和密度。他们模拟了一个只有一层液体的地核，该液体层比预期的更大，但密度更低，并且没有固体内核。地核的尺寸巨大，约为火星半径(1800公里)的一半，低密度意味着它充满了较轻的元素。碳、硫和氢等轻元素会改变地核的熔融温度，并影响其随时间结晶的方式，使其更有可能保持液态。

毕慧星及其同事发现的固态内核(半径610公里)意义重大。固态内核的存在本身就表明，随着行星逐渐冷却，其内部正在发生结晶和凝固。

火星的核心结构与地球更相似，因此更有可能在某个时刻产生过“发电机”。在地球上，正是固体内核、液体层和地幔之间的热(热量)变化驱动了液体层中的对流，并产生了导致磁场的“发电机”。这一结果使得火星过去可能存在“发电机”的可能性更大。

Simon Stähler 及其合著者报告了一个完全液态的地核，而 Huixing Bi 及其同事报告了一个固态内核，这似乎会引起一些争议。但事实并非如此。这是科学数据收集和分析进步的一个绝佳例证。

火星的竞争模型

洞察号于2018年11月着陆，最后一次与地球接触发生在2022年12月。随着施泰勒于2021年发表论文，我们将从洞察号获得一些新的数据。巴黎城市大学的亨利·塞缪尔及其同事于2023年对施泰勒的模型进行了修订。修订后的核心大小和密度有助于将洞察号的观测结果与其他一些证据相协调。

在施塔勒的论文中，明确指出不排除固态内核的可能性。作者指出，分析数据的信号强度不足以识别穿越内核边界的地震波。这是对火星核心的首次出色测量，但它留下了其他层级和结构的问题。

在《自然》杂志发表的最新研究中，科学家们通过精心选择特定地震事件类型，在距离洞察号一定距离处获得了这一结果。他们还采用了一些新颖的数据分析技术，从仪器噪声中提取出微弱信号。

这一结果必将在学术界产生影响，而观察对洞察号数据的进一步重新分析是支持还是否定他们的模型，也将会非常有趣。接下来，我们将深入讨论更广泛的地质背景，以及该模型是否适用于限制岩芯尺寸和密度拟合的其他可用数据。

了解太阳系行星的内部结构对于理解行星的形成、生长和演化至关重要。在洞察号之前，人们曾研究过与地球相似的火星模型，但结果并不理想。

更多信息： Huixing Bi 等，《火星 600 公里固体内核的地震探测》，《自然》(2025 年)。期刊信息： 《自然》