火星内部，存在着从未有人知道的神秘结构
2018年11月，美国航空航天局（NASA）的“洞察”号火星探测器（InSight）成功登陆火星，这是人类首次将地震仪部署在地球以外的星球上，而“洞察”号不负众望，它让我们第一次观测到了火星内部像“夹心巧克力”一样的三层构造——液态的核、硅酸盐质的火星幔和壳。但与此同时，它揭示的密度过低的火星核也成为自发现火星内部结构以来最大的谜团。
2021年，利用“洞察”号收集的星震数据，科学家将火星核的半径限定在1830千米左右。这似乎比此前预测的更大，同时也表明它的密度较小。类地行星核的主要成分通常为铁、镍合金，但火星核的密度比纯铁要轻约27%，这一密度差要求其中必然赋存大量轻元素（如硫、碳、氧、氢等）。
如此多的轻元素早已超出宇宙化学对火星核成分的限定，也吸引了不同领域科学家的关注。在今年3月发表于《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）的一项研究中，瑞士苏黎世联邦理工学院的博士后研究员黄东洋通过计算发现，不管火星的富铁核心掺入哪种轻元素，如果想达到如此低的密度，其轻元素的占比都远高于行星形成过程可能进入到行星核中的含量。这也意味着，如果此前对火星核大小的估计无误，那么我们的宇宙化学理论或许还有待完善。
好在今年10月，在《自然》（Nature）上一同发表的两篇文章解开了这个谜团。苏黎世联邦理工学院和法国巴黎地球物理研究所的两个研究团队各自独立地分析了“洞察”号的火星震观测数据，他们分别结合富铁合金的弹性性质与地球物理模型重建了火星内部的构造，从不同角度得出了相似的结论：我们此前高估了火星核的大小，其密度并没有过低。
苏黎世联邦理工研究工作的主要作者之一黄东洋在和星震学研究组的同事交流时想到，如果火星的液态核存在分层，或许能够解释相互矛盾的理论与观测结果。这种猜测需要地震学上的佐证，但“洞察”号能监测到的火星震大多只能取样到火星的浅层结构。好在一场特殊的星震，为科学家带来了新的线索。
2021年9月18日，一颗陨石猛烈地撞击到“洞察”号对侧半球的某一点，陨石冲击产生的星震波穿过火星，被“洞察”号接收。“这次的星震事件发生在‘洞察’号抵达火星的第1000个火星日，被命名为S1000a。特别的是，它的P波（通过介质传播的纵波，是最快抵达观测点的地震波）穿过火星抵达观测点前，扫过了火星的核幔边界，”黄东洋说道。
结合S1000a沿火星核幔边界衍射传播的P波数据，研究人员想要探究火星核异常层的成分。在宇宙化学限定的范围里，黄东洋和同事分析了铁、镍和硫、碳、氧、氢四种元素不同的混合情况。通过比对不同混合物的弹性性质与地震学数据，他们发现没有一种铁、镍参与的混合物符合条件。在反演S1000a和另一个星震事件S0976a的数据时，他们意识到，如果核幔边界区域的一部分是液态硅酸盐层，就能与观测结果很好地吻合。而这意味着，火星液态核的最外层很可能是尚未完全固化的火星幔——一个几十亿年前火星表面岩浆洋的现代遗腹子。
通过对火星震数据的地球物理反演，研究人员将潜在的熔融硅酸盐层厚度估算为约145千米。相应地，火星核的半径也从约1830千米缩小到1675千米左右。在质量不变的情况下，体积变小，密度就会变大，因此火星核中轻元素的比例也可以下降到9%~14%，不再违反地球物理与宇宙化学的限定。
这项研究结果初步驱散了当前笼罩在火星内部结构上的迷雾。“但我们仍需要更多的观测数据，”黄东洋说道，“不管是对火星的直接观测数据，还是通过高压实验或超级计算机得来的矿物物理数据。对于火星，我们有非常多的科学问题，却只能依赖极少的数据。”遗憾的是，“洞察”号在2022年12月因电池续航问题不得不终止了任务，希望未来火星研究的继任者们能为我们提供更多新的数据和见解。
本文选自《环球科学》2023年12月刊前沿专栏，相对原文有所改动。
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