火星就像是縮小版的地球……

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這張示意圖展現(xiàn)45億年前巨型小行星撞擊火星的情景。如此規(guī)模的災(zāi)難性撞擊可能造就了如今散落于火星地幔內(nèi)的碎片團(tuán)塊。

三年前，美國(guó)宇航局（NASA）洞察號(hào)火星探測(cè)器的太陽(yáng)能電池板被火星塵埃覆蓋，故而無(wú)法繼續(xù)作業(yè)并最終退役。但任務(wù)傳回的數(shù)據(jù)持續(xù)揭示著紅色星球的奧秘，尤其在于它與地球的異同。

9月3日，《自然》雜志報(bào)道重磅發(fā)現(xiàn)：火星內(nèi)核最深處的物質(zhì)呈固態(tài)而非液態(tài)，這與地球的情況一致。

而根據(jù)《科學(xué)》雜志8月底介紹的另一項(xiàng)成果，火星地幔里充滿了古老的巨型物質(zhì)團(tuán)塊，或來(lái)自早期天體相撞形成的碎片；由于厚重遲滯的火星幔攪不散雜質(zhì)，碎塊在數(shù)十億年后的今天仍可提供火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地震學(xué)側(cè)寫。

上述研究幫助學(xué)界梳理出火星歷史脈絡(luò)，包括它曾經(jīng)歷的劇烈撞擊事件以及失去磁場(chǎng)的緣由。基于新發(fā)現(xiàn)，我們有望深入理解其他巖質(zhì)行星，甚至推定銀河系星球適宜生物存活的必要條件。

曾是洞察號(hào)科學(xué)團(tuán)隊(duì)成員的美國(guó)布朗大學(xué)行星科學(xué)家英格麗·多巴爾(Ingrid Daubar，未參與新工作)表示：“我們可以基于對(duì)火星的洞察，進(jìn)一步探究地球乃至所有太陽(yáng)系行星的形成與演變，或許還會(huì)收獲關(guān)于系外行星的更多見(jiàn)解。”

上圖示意了火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面，其中左上方流星體撞擊火星表面所產(chǎn)生的震波，被右上方的洞察號(hào)著陸器捕獲

地球早期的地質(zhì)歷史難以解讀，因?yàn)榈貧ひ恢弊兓?qū)動(dòng)力來(lái)自活躍的構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)，它們持續(xù)推動(dòng)地表與地幔間的物質(zhì)循環(huán)。火星則截然不同，火星地殼如同一個(gè)能凍結(jié)時(shí)間的單體保護(hù)層，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)自形成以來(lái)就始終保持原貌。

“聆聽(tīng)”地震波在火星內(nèi)部傳播時(shí)的震動(dòng)，是繪制火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于2018年發(fā)射的洞察號(hào)在火星表面部署了地震儀，后者任務(wù)期間累計(jì)記錄下超過(guò)1300次地震波。

2022年4月24日(任務(wù)的第1211個(gè)火星日)，洞察號(hào)從火星表面?zhèn)骰氐淖詈笠粡堊耘恼?/p>

《科學(xué)》新研究的作者團(tuán)隊(duì)分析了8次火星地震。他們發(fā)現(xiàn)，地震波以不同頻率穿過(guò)火星內(nèi)部，其中高頻震波比低頻震波延遲數(shù)十秒。

論文第一作者康斯坦蒂諾斯·查拉蘭布斯(Constantinos Charalambous)表示，模擬結(jié)果表明火星震波被地幔里異常的物質(zhì)團(tuán)塊散射并減速，“就像聲納穿過(guò)水下的巨石群”。這位英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的行星科學(xué)家就此進(jìn)一步作出解釋：

高頻震波波長(zhǎng)較短，更易受小碎片影響。當(dāng)然，“小”是相對(duì)而言的，畢竟這些碎塊里有相當(dāng)一部分“大塊頭”寬度超過(guò)3公里，碎片的分布深度可達(dá)火星地表以下約1400公里。如此分散的狀態(tài)似乎表明碎片形成受巨大能量驅(qū)動(dòng)。

顯然，撞擊事件完全符合特征。查拉蘭布斯的同事托馬斯·派克(Thomas Pike)推測(cè)，一系列劇烈碰撞可能將小行星或其他天體的碎片注入火星內(nèi)部，這些物質(zhì)能存留數(shù)十億年之久，說(shuō)明火星地幔厚重而運(yùn)動(dòng)遲緩，難以完全攪散碎塊。

與之相對(duì)的是火星內(nèi)核的特征。根據(jù)《自然》新作介紹，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)分析了低頻震波，基于20多次火星地震的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)穿過(guò)“火核”最深處的震波比全液態(tài)核模型的預(yù)測(cè)提前200秒抵達(dá)地震儀。

文章第一作者孫道遠(yuǎn)指出，分析結(jié)果表明火星內(nèi)核由固態(tài)內(nèi)層和包裹內(nèi)層的液態(tài)外層構(gòu)成。火星震波在半徑約600公里的固態(tài)內(nèi)核中傳播速度更快。

地球內(nèi)核同樣呈“內(nèi)固外液”的結(jié)構(gòu)。不過(guò)地幔持續(xù)循環(huán)，會(huì)不斷從核心汲取熱量并促使液態(tài)外核部分產(chǎn)生對(duì)流，這使得地球周圍形成可阻擋有害太陽(yáng)輻射的磁場(chǎng)，極光現(xiàn)象也由此而來(lái)。

相比之下，火星卻不具有磁場(chǎng)。部分原因可能在于火星地幔運(yùn)動(dòng)遲緩的特性令其無(wú)法有效從核心汲取熱量。

從剖面結(jié)構(gòu)來(lái)看，火星就像縮小版地球——內(nèi)核、外核和地幔的規(guī)模均按比例縮小

除地球外，目前我們只對(duì)火星這顆太陽(yáng)系行星作地震學(xué)研究。不過(guò)NASA計(jì)劃于2027年發(fā)射的“月球背面地震測(cè)量套件”(Farside Seismic Suite)任務(wù)，會(huì)采用相同技術(shù)探測(cè)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2028年，NASA還將發(fā)射搭載地震儀的蜻蜓號(hào)無(wú)人機(jī)探測(cè)器，以探索土星最大衛(wèi)星泰坦星冰殼下的奧秘。

從其他巖質(zhì)星球獲取的知識(shí)，最終會(huì)成為科學(xué)家了解地球的參考。

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