科學家們首次觀察到了穿越火星核心的地震波，並證實了對火星核心成分的模型預測。一個國際研究小組–其中包括馬里蘭大學的地震學家–利用美國宇航局InSight登陸器獲得的地震數據直接測量火星核心的屬性，發現一個完全液態的鐵合金核心，其中硫和氧的比例很高。

這些發現於2023年4月24日發表在《美國國家科學院院刊》上，揭示了關於火星如何形成以及地球和火星之間地質差異的新見解，這些差異最終可能在維持行星的可居住性方面發揮作用。

“1906年，科學家們通過觀察地震產生的地震波是如何穿越地球核心的，首次發現了地球核心，”該論文的第二作者、UMD地質學副教授Vedran Lekic說。”一百多年後，我們將地震波的知識應用於火星。通過InSight，我們終於發現了火星的中心是什麼，是什麼讓火星與地球如此相似卻又如此不同。”

為了確定這些差異，研究小組跟踪了火星上兩個遙遠的地震事件的進展，一個是由火星地震引起的，另一個是由大型撞擊引起的，並探測到了穿越該星球核心的波。通過比較這些波穿過火星的時間與停留在地幔中的波的時間，並將這一信息與其他地震和地球物理測量相結合，研究小組估計了這些波穿過的材料的密度和可壓縮性。研究人員的結果表明，火星很可能有一個完全液態的核心，與地球的液態外核和固態內核的組合不同。

藝術家對火星內部和地震波穿越地球核心時的路徑的描述。圖片來源：NASA/JPL和Nicholas Schmerr提供。

此外，研究小組還推斷出了關於火星核心化學成分的細節，例如在火星最內層存在的令人驚訝的大量輕元素（原子序數低的元素）–即硫和氧。研究小組的發現表明，火星核心的五分之一的重量是由這些元素構成的。這一高比例與地球核心中相對較少的輕質元素的重量比例截然不同，表明火星核心的密度遠低於地球核心，可壓縮性更高，這一差異表明這兩顆行星的形成條件不同。

“你可以這樣想，一個行星的核心的屬性可以作為關於該行星如何形成以及如何隨時間動態演變的總結。形成和演化過程的最終結果可以是產生或沒有維持生命的條件，”UMD地質學副教授尼古拉斯-施默爾解釋說，他是該論文的另一位共同作者。”地球核心的獨特性使它能夠產生一個磁場，保護我們免受太陽風的影響，使我們能夠保持水。火星的核心沒有產生這種保護罩，因此該星球的表麵條件對生命是不利的。”

儘管火星目前沒有磁場，但科學家們假設，由於火星地殼中殘留的磁力痕跡，曾經有一個類似於地球核心產生的磁場的屏蔽。Lekic和Schmerr指出，這可能意味著火星逐漸演變到目前的狀況，從一個有可能適合居住的環境的星球變成了一個令人難以置信的糟糕環境。研究人員表示，內部的條件在這一演變過程中發揮了關鍵作用，外部天體撞擊也可能是如此。

Lekic說：”在某些方面，這就像一個難題。例如，在火星的核心有少量的氫的痕跡。這意味著必須有一定的條件使氫氣存在，我們必須了解這些條件，以了解火星如何演變成今天的星球。”

該團隊的發現最終證實了目前旨在揭開隱藏在行星表面下的層的建模估計的準確性。對於像Lekic和Schmerr這樣的地球物理學家來說，像這樣的研究也在為未來以地球物理學為導向的對其他天體的考察鋪平道路，包括像金星和水星這樣的行星。

“這是一項巨大的努力，涉及到在地球上磨練出來的最先進的地震學技術，結合礦物物理學家的新成果以及模擬行星內部如何隨時間變化的團隊成員的見解，”布里斯托爾大學的高級講師和該研究的第一作者傑西卡-歐文指出。”但是這項工作得到了回報，我們現在對火星核心內部發生的事情有了更多的了解。”

“即使InSight任務在經過四年的地震監測後於2022年12月結束，我們仍然在分析收集到的數據，”Lekic說。”InSight將繼續影響我們對火星和其他行星的形成和演變的理解，在未來的幾年裡。