2018年11月26日，美國國家航空航天局(NASA)的“洞察”號火星探測器攜帶一種被稱為“內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實驗”(SEIS)的六傳感器地震儀在火星上降落，任務(wù)是記錄地震波穿過陸地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程，從而探索這顆紅色星球的地殼、地幔和地核。

自“扎根”火星以來，“洞察”號在其著陸點測量了大約733次地震?？茖W家基于其中35次地震的數(shù)據(jù)，揭示了火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，估計了火星地核的大小、地幔的結(jié)構(gòu)和地殼的厚度。

這讓人們第一次知道，另一個與地球相似的行星內(nèi)部是什么樣：夾心蛋糕一般的地殼結(jié)構(gòu)、比預(yù)期更薄的地幔、含有更多輕元素的液態(tài)核心……

這也是科學家第一次使用地震數(shù)據(jù)來探測地球以外行星的內(nèi)部，這是了解火星形成和熱演化的重要一步。相關(guān)的3篇研究論文發(fā)表在23日的《科學》雜志上。

地核：比想象中的厚

“洞察號”的發(fā)現(xiàn)表明，火星有一個巨大的液態(tài)核心。它的最外層距離地表約1560公里。

火星半徑僅為地球半徑的1/2左右。來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的地震學家、研究合著者阿米爾汗稱，火星地核的半徑為1830公里，“比預(yù)期的要大”。而地球核心的半徑約為3480公里，這意味著，火星的核心也約為地球核心半徑的一半。

地核尺寸越大，密度越低?；鹦蔷哂休^大尺寸的核心半徑說明，與以鎳和鐵為主要成分的地球核心不同，火星的核心除了鐵和鎳，還含有氫和氧等較輕的元素，這些成分起到了降低核心凝固溫度的作用。因此，盡管有大量熱量散失，火星的核心仍然完全是液態(tài)的。

關(guān)于火星地核研究論文的第一作者、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的西蒙·斯塔勒表示，“洞察”號在任務(wù)中確認火星地核的大小是十分難得的。他說：“科學家花了數(shù)百年的時間來測量地球的核心;在阿波羅任務(wù)之后，他們花了40年的時間來測量月球的核心。而‘洞察號’只用了兩年時間就測得火星地核的大小。”

地幔：比想象中的薄

還有一個研究結(jié)果與火星地核和地殼之間的結(jié)構(gòu)——地幔有關(guān)?；鹦堑牡蒯１瓤茖W家之前設(shè)想的要薄，它在地表向下延伸至大約1560公里處。

火星更大尺寸的核心意味著，與地球相比，它的地幔相對更薄。

布里奇曼石是地球上最豐富的礦物，能夠穩(wěn)定存在于下地幔的極端高溫高壓環(huán)境中，它覆蓋著地球的地核，能夠減緩對流和熱量損失。

而根據(jù)已知火星的大小，研究認為，火星地幔的壓強極不可能使布里奇曼石達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，火星可能缺乏這種礦物質(zhì)，這就導致火星早期熱量的散失。

地殼：跟地球一樣厚

根據(jù)“洞察”號記錄的火星內(nèi)部地震波，研究團隊首次確定了火星地殼厚度。德國科隆大學博士研究員、研究地震的論文主要作者克納普邁耶—恩德倫稱，盡管火星的地殼可能有兩層或三層，但其地殼與地球的同樣厚。

數(shù)據(jù)顯示，在“洞察”號著陸點下方，地殼可能有兩個甚至三個子層。地殼的第一層約8(+/-2)公里，這是很久以前火星流體物質(zhì)循環(huán)導致的高度變化形成的結(jié)構(gòu)和只存在輕微變化的第二層地殼之間的邊界;第二層為地表向下延伸至約20(+/-5)公里。研究人員表示，火星上可能還有第三層地殼，厚度可達到39(+/-8)公里。

研究人員將這些數(shù)據(jù)從“洞察”號著陸點推演到整顆星球，認為整個火星地殼的平均厚度介于24—72公里之間。相比之下，地球的平均地殼厚度為15—20公里。只有在像喜馬拉雅山這樣的大陸地區(qū)，地殼厚度才能達到70公里。

克納普邁耶說，與地球相比，火星的地殼是古老而靜態(tài)的。而我們星球的地殼被分解成在地幔頂部的構(gòu)造板塊。這些板塊有時會相互碰撞或下沉，這意味著不斷有新的地殼出現(xiàn)。而火星缺乏板塊構(gòu)造，大約45億年前形成后，就沒有再產(chǎn)生新的地殼。

隨著火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的揭示，現(xiàn)在，關(guān)于這顆星球探索的新問題出現(xiàn)了：火星地殼頂部10公里的厚度變化是普遍的，還是僅限于“洞察號”著陸區(qū)?這一最初的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型將對該星球的形成和熱演化理論產(chǎn)生什么影響，特別是在火星表面有液態(tài)水和強烈的火山活動的最初5億年。

研究人員表示，“在接下來的時間里，隨著更多測量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，研究人員將改進這顆紅色星球的模型，進一步揭開火星的神秘面紗。”(實習記者 張佳欣)