NASA探測器「洞察號」揭露火星內部結構的秘密

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科學家們稱,他們現有一些絶對數據來描述火星的內部岩層結構。這些數據來自「洞察號」(InSight)探測器,自2019年初以來它一直在感知火星上的振動。

美國國家航空航天局主導這項任務,該任務顯示火星地殼的平均厚度在24公里和72公里之間,比之前預期要薄一些。

但關鍵的發現是火星地核的大小,其半徑為1830公里,處於此前預估值的頂端。

這是科學界第一次成功直接測繪除地球以外的行星的內部分層結構。此前科學家也在月球上做過類似的事情,但火星(總半徑:3390公里)的規模要大得多。

有了這些信息,研究人員可以更了解不同行星體的形成和演變。

「洞察號」以地震學家研究地球內部分層的相同方式,即通過跟蹤振動信號取得成果。

這些振動釋放能量波,能量波的路徑和速度變化將揭露所經岩石物料的性質。

美國國家航空航天局探測器部署的地震儀系統觀察到數百次振動,在過去兩年中,有少數振動具有恰好的特性可以視為火星的內部成像。

由法國和英國領導的儀器小組確定火星的堅硬外層地殼,在探測器的正下方有20公里或39公里厚(取決於位處的精確分層)。結合火星其他地方的已知表面地質推斷到,平均厚度在24公里和72公里之間。相比之下,地球的平均地殼厚度為15-20公里。只有在喜馬拉雅山這樣的大陸地區,它才能達到70公里。

然而真正有趣的數字則是關於地核。從「火星震」上反彈至儀器的信號顯示,從火星表面開始一路到約1560公里的位置是呈液體狀態。之前的大多數估計認為火星的地核較小。

任務小組說,從新的直接觀測中得出兩個有趣結果。

第一,已知的火星質量和慣性力矩意味著火星核心的密度將比以前預測的要小得多,而且火星的主導成分鐵鎳合金必然富含如硫這樣質量較輕的元素。

第二個結果關乎地核和地殼之間的那一層:即地幔有關。這層現在比以前假設的要薄,並且似乎與地球不一樣,這一層由石頭組成而沒有重大漸變。

根據火星已知大小,這個地幔極高度不可能達到讓礦物里奇曼石變穩定的壓力。

在地球上,這種堅硬的礦物覆蓋著地心,減緩對流和熱量的流失。因此火星形成早期,由於沒有這種礦物導致溫度的快速冷卻。

最初這會允許金屬核心的強烈對流和驅動全球磁場的發電機效應。但這當然現已不存在。如今在這顆行星上無法檢測到全球磁場。

如果它存在的話,它將提供一些屏蔽以保護其表面免受從太空不斷降下的破壞性輻射的影響,這些輻射使這個世界變得極其難以居住。

英國倫敦帝國學院的湯姆·派克(Tom Pike)教授是洞察號地震儀系統的主要研究者之一。他告訴BBC:「我們首次能用地震學來觀察另一個星球內部,我們在火星上看到的是,我們有一個更大和比預期更輕的核心。這確實告訴我們很多關於這個星球在地質時期的演變信息。」

來自劍橋大學的桑尼·科塔爾(Sanne Cottaar)博士不在任務小組中。她將「洞察號」的結果描述為一種壯舉,因為研究火星上發生的微小振動非常困難。它們從未超過4級,人類只有在震中幾公里範圍內才會注意到。

她說:「火星震非常、非常微弱。這比在地球上做地震學有挑戰性得多。任務科學家們還不得不開發出洞察號探測器能使用的地震儀。因此看到這些數據,並且能用這些數據來觀察火星內部結構,非常令人鼓舞。」

《科學》雜誌的一系列學術論文發表了火星內部結構的細節。科塔爾博士的觀點與他們一並發表。