編譯|王昱

　　審校|吳非

　　行星的很多秘密都被埋藏在它們的內(nèi)部。通過探測行星的內(nèi)部結構，我們能探索一顆行星的起源，描繪它在億萬年漫長歲月中的演化過程。在地球上，人類通過地震波探測地球內(nèi)部結構：而在火星上，“洞察號”則讓我們有機會了解火星的內(nèi)部組成。

　　就在本周，“洞察號”對火星內(nèi)部結構的測定結果發(fā)表在3篇《科學》雜志論文中。利用來自“洞察號”的火星震數(shù)據(jù)，人類首次揭示了火星殼層、幔層和核心的完整結構。

　　如何測量

　　即使是在地球上，人類也無法直接觸碰到地球內(nèi)部深處。人類目前最深的鉆井是蘇聯(lián)在1989年挖掘的科拉超深井，達到了12 289米深。然而，這個深度和地球6371千米的半徑相比實在是相形見絀。不過，這并沒有抵擋科學家探測地球內(nèi)部的腳步，他們找到了了解地球內(nèi)部結構的手段——地震波。當?shù)卣鸩ù┻^行星內(nèi)部，它在內(nèi)部的折射、反射都能揭示地球內(nèi)部結構的特征。

　　20世紀，科學家通過這種方法陸續(xù)查明了地殼、地幔和地核的結構。而現(xiàn)在，科學家在火星上也能做到同樣的事情了。NASA研發(fā)的“洞察號”著陸器2018年在火星降落，它是第一個肩負研究這顆紅色星球內(nèi)部任務的探測器。“洞察號”采用了類似于“鳳凰號”的結構，用太陽能板供能。探測器著陸在火星赤道以北的埃律西昂平原西部，這里陽光充足、地勢地平，而且土質(zhì)細膩，是安全的著陸點，也適合安放地震儀。

　　為了滿足探測需要的精度，地震儀并沒有集成在航天器上，而是在探測器著陸后，由探測器的機械臂像“抓娃娃”一樣把它放到火星表面上，用于聆聽火星震、為科學家收集來自火星內(nèi)部的信號。

　　地球上大部分地震來自于板塊運動時產(chǎn)生的斷層，但火星并沒有板塊構造，它的殼層就像一整塊巨大的板塊。不過火星殼層仍然會因為不均勻冷卻而產(chǎn)生斷層，由此產(chǎn)生火星震。到目前為止，“洞察號”檢測到了733次火星震，意味著這顆星球的震動活動比地球少，但仍比月球活躍。其中35次震級在3到4級之間，也正是它們讓科學家能為我們揭開火星內(nèi)部神秘。

　　火星結構

　　接下來，就讓我們從火星表面開始逐漸向核心深入，依次來看看這些研究揭示了關于火星的哪些重要信息。

　　第一項研究揭示了關于火星殼層的詳細信息。研究團隊通過“洞察號”著陸點附近的火星震記錄和環(huán)境波場，得到了著陸位置附近的地殼信息。通過分析火星震波信號在地殼界面中的反射和改變，他們發(fā)現(xiàn)火星地殼中可能具有2或3個界面。如果第二個界面是地殼的邊界，則著陸點附近的殼層厚度為20千米；如果第三個是邊界，那么殼層厚度應為39千米。而火星全球的殼層厚度在24~72千米之間。

　　另一個團隊則通過8次低頻火星震的直達火星震波（P波和S波）以及界面反射波（PP波、PPP波、SS波和SSS波），分析火星內(nèi)部的深層結構。他們發(fā)現(xiàn)火星幔層范圍可以抵達火星地表以下800千米處，而火星的巖石圈覆蓋范圍達到地下500千米，并且和地球一樣，在巖石圈之下存在一個低速層。根據(jù)他們的研究，火星幔部的放射性元素含量較多，從內(nèi)部加熱了整顆星球。

　　最后一項研究則關注了火星核心。火星液態(tài)金屬核心的半徑在1830千米左右，接近火星半徑（3390千米）的一半。較大的核心表明火星幔層只包含一個巖石層。至于核心中間是否像地球一樣擁有固態(tài)的內(nèi)核，目前的數(shù)據(jù)還無法確定。火星核心的平均密度為5.8~6.2克/立方厘米，比原先估計的更輕。這說明有大量較輕的元素存在于鐵鎳核心中。

　　對科學家來說，能得到這樣的數(shù)據(jù)自然令人興奮。更何況對他們而言，得到如此振奮人心的結論并沒有花費太長時間。斯塔勒說：“人類測量地球核心花了幾百年；在阿波羅登月后，測量月球核心花了40年；而‘洞察號’著陸后，測量火星核心只用了兩年。”

　　未來的探測

　　根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行分析，“洞察號”觀測到的大部分較強的火星震信號都來自于同一個方向：刻耳柏洛斯塹溝群（Cerberus Fossae）。這里有足夠多的火山活動，或許在最近幾百萬年內(nèi)其地下還有巖漿流動。軌道探測器也在這片區(qū)域發(fā)現(xiàn)了巨石滾落山坡的痕跡。

　　不過令人好奇的是，在那些更知名的火山活動區(qū)域，比如擁有三座巨型火山的塔爾西斯（Tharsis），并沒有檢測到火星震信號。這可能是因為火星核心阻止火星震波向特定方向反射，無法到達“洞察號”，由此形成了一個無法被檢測的核陰影區(qū)（core shadow）。

　　當然，在初步得出火星結構后，科學家們絕不會止步于此。而此時，他們最期待的就是一次大于里氏4級的火星震。“我們很想看到一次較強的地震，”NASA噴氣動力實驗室的馬克·潘寧（Mark Panning）說，“我們必須對這些數(shù)據(jù)進行非常仔細的處理，才能得到我們想要的結果。而一次較強的火星震會讓這一切簡單很多。”

　　目前，“洞察號”的太陽能面板上已經(jīng)布滿了灰塵，能量供應水平正在下降。上個月，“洞察號”在當天風力最強的時候，向其太陽能板附近倒了一些沙子。飛濺出來的沙子在太陽能板上滾動時，帶走了更多的灰塵，相當于用沙子對太陽能板進行了“清潔”，以此增加著陸器的能量供應。

　　視頻來源：NASA/JPL-Caltech

　　未來的幾個月，火星在軌道上朝著遠日點移動，“洞察號”不得不進入休眠狀態(tài)。在這期間，科學家無法第一時間獲得“洞察號”的數(shù)據(jù)，但是“洞察號”放置在火星表面的地震儀仍會監(jiān)聽火星內(nèi)部。希望在“洞察號”歸來時，能給我們帶來更多驚喜。

　　參考論文：

　　[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

　　參考鏈接：

　　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

　　本文轉(zhuǎn)自環(huán)球科學