火星内部有什么？

改写认知的发现  

美国宇航天局的洞察号（InSight）火星任务于2018年11月登陆火星，2022年12月正式结束任务。在这四年间，洞察号利用地震实验仪探测到了数百次火星地震的信号。这些信号可以帮助科学家绘制火星的内部结构，包括其核心的大小和组成。

2021年7月，科学家在收集并分析了一部分由洞察号传回地球的火星地震数据后推断出，火星的液态核心的半径在1800~1850千米之间，并认为火星核心中含有很大比例的轻元素（如硫、碳、氧和氢等），按重量计算约占20%。这些数据高于理论预期，引发了科学家的好奇。

现在，科学家通过分析一颗于2021年9月撞向火星的陨石所产生的地震能量，改写了我们对火星内部的认识。这颗陨石击中火星的位置位于洞察号所在位置的对面，因此它使洞察号能够探测到穿过火星核心的地震能量。

在两篇新发表于《自然》杂志上的研究中，两个研究团队通过分析这颗陨石撞击火星后在火星上引发的地震，发现在火星的地幔和地核之间，存在一层薄薄的熔化硅酸盐，将火星核心的半径缩小到了1650~1675千米的范围，并将轻元素的重量比例降低到9%~14%之间。

新的分析结果表明，火星的核心比之前认为的更小，它被一层熔化的硅酸盐层包围，因此看起来比实际大。（图/Nature）

揭开火星的层层谜题  

在这两项新的研究中，由法国巴黎地球物理研究所的Henri Samuel所领导的研究团队发现，此前被认为是火星的液态核心和固体地幔之间的边界位置（距火星中心1800~1850千米），实际上是新发现的熔化硅酸盐层的顶部与地幔的边界，真正的火星核心掩埋在熔化层之下，半径只有1650 ± 20千米。

在火星的核心之外，包裹着一层熔化硅酸盐层。（图/IPGP-CNES）

随着这一熔化层的发现，之前的一些迷思也迎刃而解。因为如果火星的核心比之前认为的要小，那么它的密度就会更大，那么它包含的轻元素就会更少。这一结论与其他实验室和理论研究结果更吻合。

研究人员将熔化层比作覆盖火星核心的“加热毯”。这层“加热毯”不仅隔绝了来自核心的热量，防止了核心冷却，而且还聚集了放射性元素，这些元素的衰变会产生热量。当这种情况发生时，地核可能无法产生对流运动，进而也就无法产生磁场。这就解释了为什么目前火星周围没有活跃的磁场。

像火星这样的类地行星，如果周围没有一个有效的保护磁场，就极易受到猛烈的太阳风的影响，进而失去星球表面所有的水，无法维持生命。地球和火星之间的这种差异可以归因于内部结构的差异，以及两颗行星所采取的不同的行星演化路径。

对火星来说，在地幔底部存在一层熔化层意味着，在火星演化的前5亿到8亿年里，必须有外部来源才能产生能在火星地壳中被记录下来的磁场。这些来源可能是高能的撞击，或者是与已经消失的古老卫星发生引力相互作用而产生的核心运动。

在另一项发表在《自然》杂志的研究中，由苏黎世联邦理工大学（ETH）的Amir Khan和Dongyang Huang主导的研究也得到了类似的结论。他们的计算同样表明，火星的核心被一层熔化的岩石包裹，但他们估计核心的半径为1，675 ± 30 千米，轻元素的重量比例在9~15%之间。

星球的结构和历史  

这两项研究的结论支持了这样一种理论，即火星曾经是一个熔岩海洋，后来在火星地幔的底部，结晶形成了一层富含铁和放射性元素的硅酸盐熔化物。放射性元素散发出的热量会剧烈地改变这颗红色星球的热演化和冷却史。

如果这些硅酸盐层分布广泛，可能会对这颗星球的其他地方产生相当大的影响。它们的存在可以帮助科学家了解磁场是否可以产生和维持，行星会如何随着时间的推移而冷却，以及它们内部的动力学又会如何随时间变化。

在四年多的数据收集后，洞察号已经结束了它的任务。但科学家对由它传回的观测结果的分析仍在继续。正如这两项新的研究一样，通过地震数据学来了解火星的内部结构和演化历史，为未来探测月球、金星和其他天体铺平了道路。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03271-4

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06601-8

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06586-4

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/10/mystery-of-the-martian-resolved.html

https://cmns.umd.edu/news-events/news/Vedran-Lekic-NASA-InSight-discover-molten-layer-covering-martian-core

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗