近日，中國科學技術大學孫道遠教授、毛竹教授團隊聯合國外學者在行星科學研究領域取得重大進展。研究團隊通過深入分析美國國家航空航天局洞察號(InSight)探測器記錄的火震數據，首次確證火星內部存在一個半徑約600千米的固態內核，并揭示其主要成分構成可能是富含輕元素的結晶鐵鎳合金。北京時間9月3日，該成果發表于《自然》，并被選為《自然》期刊新聞稿。

火星深部結構示意圖。白灰色區域為研究中利用洞察號數據檢測發現的固態內核。

　　火星作為太陽系內與地球環境最為相似的類地行星，一直是行星內部結構與演化研究的重要對象，也是深空探測的核心目標之一。對行星深部結構的探測向來充滿挑戰：以人類最熟悉的地球為例，科學家直到1936年才通過地震波首次推測內核的存在，而徹底確認固態內核存在竟耗時近半個世紀，至1980年代才完成。相比之下，對火星內部結構的探索難度更大，2018年才首次獲得火星震直接觀測數據。截至目前，盡管已記錄上千次火震數據，但信號微弱和噪聲干擾等問題仍嚴重限制了對火星深部結構的研究。

　　為突破這一挑戰，研究團隊創新性地引入火震陣列分析方法，通過對23個信噪比較高的火震事件數據的分析，成功提取出穿過火星核的關鍵震相，如在地表反射的PKPPKP(P'P')和在核幔邊界反射的PKKP(下圖a)。特別值得注意的是，實際觀測到的PKKP到時，較當前僅考慮液態核的火星速度模型所預測的結果提前了50至200秒。地震波在固體中的傳播速度比在液體中快。因此，這一差異表明，火星核具有分層結構：即外層為液態核，而更深部則存在一個波速更高的固態內核。

PKKP, PKiKP震相的射線路徑和研究利用到的火震

　　在進一步分析中，研究團隊首次在火震數據中識別出被視為“固態內核標志”的 PKiKP 震相信號(上圖b)。這一發現為火星存在固態內核提供了證據。結合不同火核震相，團隊測得火星固態內核半徑約 600 公里，占火星半徑的 1/5(下圖)。如將火星按比例放大至地球大小，其內外核結構比例與地球高度接近(下圖)。

地球和火星深部結構對比示意圖

　　同時，火震數據顯示，火星外核與內核之間存在約30%的波速跳變和約7%的密度差異。在此基礎上，研究團隊進一步對內核的礦物組成進行了分析。結果反映出，火星核并非純鐵鎳構成，還可能包含 12–16% 的硫、6.7–9.0% 的氧及不超過 3.8% 的碳。這種含有輕元素的星核結構，不僅為火星磁場從早期活躍到如今沉寂的演化歷程提供了重要線索，也為對比地球與其他類地行星的內部演化差異奠定了關鍵基礎。

　　該研究首次在地球以外的行星中確認了固態內核的存在，證實了火星與地球相似的核幔分異結構。研究團隊創新發展的火星地震學方法，為未來探月等任務中利用地震學方法探測月球等星體深部結構提供了重要參考。同時，該成果標志著中國科研團隊在行星內部結構探測領域邁出關鍵一步，彰顯了我國在行星科學與地球物理交叉研究中的創新能力與國際影響力。

　　《自然》期刊審稿人高度評價這項工作，指出：“研究團隊在震相拾取分析中，通過多條證據鏈開展了細致研究。火星地震學研究極具挑戰，因此要向研究團隊完成如此全面嚴謹的工作表示祝賀!”(原文：The authors have done a detailed job of using multiple working lines of evidence for their phase detection analysis. Martian seismology is notably tough, so congratulations to the authors for doing such a thorough and careful job!);并評價道：“在我看來，這是一篇極具趣味性的論文，相信它將在未來數年持續引發學界討論!”(原文：To me, this is a really interesting paper and I think that it will generate discussion for years to come!)

　　中國科學技術大學畢慧星(博士)為本文的第一作者，中國科學技術大學孫道遠教授為本文的通訊作者，中國科學技術大學毛竹教授、孫寧宇(特任副研究員)、代明偉(博士)以及德克薩斯大學奧斯汀分校的Douglas Hemingway為本文的合作者。

　　相關論文信息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9