这是一个足以让教科书重新修订的发现。

火星核的状态，长期以来是行星科学的未解之谜。在此之前，很多介绍火星的书上要么对火星核避而不谈，要么偏向认为火星内核完全是液态或固态的，比较严谨的教材会这么写：

火星，与地球、金星和水星一样，是一个类地行星，除了壳和幔之外，还有一个核。火星核可能完全是液态的，也可能完全是固态的，或者可能是由一个固态核和外层液态组成的。

这次中科大孙道远教授带的团队在《Nature》上发表的论文[1]，让我们有理由相信：

火星和地球类似，拥有一个固态金属内核。

这个固态火星核的半径约613公里（±67公里），主要由含硫和氧的的铁镍合金组成，外包液态外核。

这一结论，推翻了此前认为火星内核完全液态的主流观点，挑战了行星进化的现有模型，为理解火星磁场消失、演化历史及行星形成提供了新证据。

上世纪残留的记忆：火星核是固态的。

人类对火星核的认识，是一个逐步深入、不断犯错的过程。

最初，人们猜测火星和地球一样，内核主要是由铁和镍组成的。

20世纪中期，天文家们通过研究火星陨石，发现它富含硫，于是进一步猜测，火星核有可能还包含像硫这样的轻元素。

到了上世纪60～70年代，NASA的“水手4号”和“维京号”任务探测了火星的磁场情况，发现它表面荒凉，缺乏全球磁场。那时天文学界的普遍看法是，火星比地球的体积略小，导致其热量散失更快，推测内核有可能已冷却并完全固化，或只是保持一部分液态（我们现在知道这种认识并不全面）。

所以我上学的时候，看到的书里都写着：火星已死，火星核早已凝固。

但这一观点一直受到质疑，火星陨石的化学成分和火星的重力情况表明，它的内核可能仍可能有一大部分是液态的。

主流观点：火星核是全液态的。

2018年，NASA的洞察号火星探测器发射，被认为是验证这一问题的重要机会。

2018年11月26日，洞察号登陆火星，它带上去了一台法国航天局的高灵敏度地震仪（SEIS），这是人类首次在地球以外的行星上进行地震学研究，第一次可以直接探测到火星的内部结构。

2019年4月，洞察号第一次记录到了火星上的地震。我们知道，地震就像一个星球的心跳，地震波（P波和S波）在行星内部传播时，会因为介质密度和状态的变化而产生折射、反射等现象，从而间接为我们提供内部结构的线索。这就像给火星拍核磁共振的片子一样，我们只需要分析地震波的传播速度和路径，就能大致推断出行星内部的分层结构，计算出壳、幔和内核的边界在哪儿。早期的数据已经拿来绘制火星壳和幔的数据，但内核的信号很微弱，常会被噪声掩盖。

洞察号用了三年的时间，记录了733次火星震，其中有35次非常强，强到足以用来研究火星内部的结构。

当时的地震波数据表明，火星内核完全是液态的，没有找到固态内核的明显证据。当时猜测，较轻的硫、碳、氧和氢等元素降低了火星核的熔点，所以内核很难成为固体。

另外，洞察号后期的地震波数据模糊地表明，火星地幔底部、内核上方可能存在一层150公里厚的富硅熔岩层，阻止内核冷却固化。如果火星核是固体的，那么温度就不会太高，也就无法熔化火星幔的底部，无法形成这个熔融态的富硅熔岩层。

所以直到2024年之前，主流的观点都认为，火星内核是完全液态的。

但是，全液态内核模型无法完全解释火星早期磁场的存在及其消失的原因。理论上，类似地球的固态内核+液态外核结构可能驱动过火星的磁场“发电机”。因此，寻找固态内核的证据成为关键。

中国团队推翻了全液态内核的猜测

虽然洞察号已于2022年停止工作，但它的数据仍在被各国学者仔仔细细地咀嚼着。

2024年5月，中科大团队向《Nature》提交了一篇论文，同样是基于洞察号的地震数据，但结合了新的分析技术，确认火星存在固态内核，推翻了完全液态内核的主流观点。

与之前利用强地震波的数据不同，中科大团队这次聚焦于1319次火星震中的23次较弱的火星震（震源位于27°–40°），利用阵列分析和贝叶斯反演等技术把低频信号增强，从噪声中提取识别出极微弱的火星核信号，检测到了在内核边界反射的PKiKP波和直穿而出的PKKP波。

别被这些名字吓到，只需要知道，P就是地幔里的波，K就是液态外核里的波，大写的I波是那些穿过内核的波，而小写的i波表示从内核外边界反弹的波。比如PKiKP波，就是震源的波穿过地幔，进入液态外核，再从内核弹回来，通过外核，然后是地幔，最后到达测量点。

从地震波的数据来看，液态外核从613公里延伸至约1800公里，整体结构类似地球的固态内核+液态外核这种结构，而内核部分的地震波速度（7.3–8.3 km/s）和密度跳变（7±5%）表明，内核主要是由固态铁镍合金组成的。为了让这个固态模型成立，中国团队猜测其中可能含有硫量在12–16%之间，而含氧量应在6.7–9.0%之间。

另外，在2025年初，另有一团队用ESRF模拟火星内核的高压环境，发现铁硫化合物可以在较低温度的高压下形成固体^[2]，这也为火星内核可能是固态提供了支持。

对未来的意义

有人肯定会说：地球上的事儿还没整明白捏，研究火星核能有啥用？

火星的今天，有可能就是地球的明天。

固态内核的存在，支持了火星早期曾有磁场“发电机”的猜想，也就是说，固态内核能驱动液态外核对流，从而让火星早期可能存在类似地球的全球性磁场，磁场强到足以保护火星的大气层。火星磁场在约38~40亿年前消失，可能正是内核冷却、对流减弱的结果，火星磁场消失又导致了大气被太阳风剥离，火星从“湿润”变为“干燥”沙尘暴星球，从潜在宜居变为荒漠。

由于洞察号仅有一个地震仪，数据受限于单点观测，噪声干扰大，无法完全排除其他模型。现在洞察号已死，未来需要更多的火星地震仪组成网络，来验证内核的细节。

理解行星核凝固的过程，也能更好地预测行星的磁场寿命，从而帮找我们找到另一个宜居的新世界。

至于“重启磁场”的科幻设想，仅靠当前的研究还远远不够。

参考

1. ^Bi, H., Sun, D., Sun, N. et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Nature 645, 67–72 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09361-9
2. ^DOI：10.1038/s41467-025-56220-2

如果说这次发现有什么特别让我这个“外行”感兴趣的点的话，那可能就是，我们或许可以重新评估一下火星的可居住性。

行星的磁场就像一台巨大的发电机，需要不断的能量供应才能运转。

在地球上，这台“发电机”位于液态的外核中。

地球内核是固体的铁，外核是液态的铁。

当内核慢慢结晶变大时，会释放大量热量，同时把轻的元素“挤出去”到外核中。

这些轻元素像热气球一样上升，重的物质下沉，形成强烈的对流运动，就像我们煮开水时的翻滚。

正是这种对流运动维持了地球的磁场，保护我们免受太阳风的伤害。

而《Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars》这篇研究发现，火星表面的古老岩石至今仍保留着强烈的磁性特征，这些磁性记录就像化石一样保存了火星早期的磁场信息。

通过分析这些磁性岩石，科学家确定火星在大约40亿年前确实存在一个覆盖全球的强磁场，其强度甚至可能超过现在的地球磁场。

行星磁场的产生需要内部存在液体金属的对流运动。

在火星内部，液体铁合金在核心中流动时会产生电流，这些电流进而产生磁场，这个过程称为发电机效应。

对流的驱动力主要来自两个方面：热对流和成分对流。

热对流是由核心内部温度差异造成的，而成分对流则是由于密度不同的物质分离时产生的浮力。

火星固体内核的发现表明火星核心曾经经历过结晶过程。

当液体核心冷却到一定程度时，重金属开始结晶形成固体内核，同时释放出轻元素到外层的液体核心中。

这个过程应该能够提供成分对流的驱动力，理论上可以维持磁场的产生。

但是火星目前却并没有全球性磁场，这似乎与固体内核的存在相矛盾。

研究人员提出了几种可能的解释：

• 火星的冷却速率可能已经变得太慢，导致核心对流不够强烈。

地球由于体积更大，内部热量损失相对较慢，因此能够维持足够的对流来产生磁场。

而火星较小的体积使其散热更快，核心温度下降后对流减弱。

• 轻元素在内核和外核之间的分配方式。

当内核结晶时，不同元素在固相和液相之间的分布会影响密度差异的大小。

如果这种密度差异不够大，就无法产生足够强的成分对流。

研究显示火星核心含有大量的硫、氧和碳等轻元素，这些元素的具体分配方式决定了对流的强度。

• 结晶速率也是关键因素。

如果内核增长过慢，释放到外核的轻元素就不足以维持强烈的对流；

如果结晶过快且不均匀，可能会导致核心内部结构复杂化，破坏规则的对流模式。

此外，火星核心的具体温度和压力条件也影响磁场的产生。

研究表明即使在比目前估计高10%的核心温度下，富含氧的铁氧化物仍然可以结晶形成固体内核。

但这种高温环境是否能够同时维持产生磁场所需的对流条件，却仍然存在着不确定性。

这次研究中也有火星磁场消失时间的重要线索。

磁性岩石记录显示火星磁场在约37-42亿年前开始减弱并最终消失，这个时间点可能对应着火星内部动力学的重大变化。

可能与核心冷却达到某个临界点、地幔对流模式改变或者大型撞击事件等因素有关。

此前Nature上有一个研究，也是利用InSight探测器收集的地震数据，发现在火星的金属核心上方存在一层富含铁元素和放射性元素的熔融硅酸盐层。

这个层就像一床厚厚的保温被，阻止了核心有效散热。

论文中的数据显示，这个保温层实际上让火星核心从约2160K加热到了约2840K，温度上升了近700度。

在这种情况下，火星的核心虽然可能在结晶，但这个过程变得非常缓慢和微弱。

即使有结晶发生，释放的能量和轻元素的上浮也不足以在被“保温被”包裹的环境中产生足够强的对流来维持磁场。

这就解释了为什么火星虽然可能仍有内核结晶过程，但无法重新启动它的全球磁场。

这些发现对于讨论火星的宜居性非常有价值。

磁场就像行星的保护罩，能够偏转来自太阳的高能粒子和太阳风。

当火星失去磁场后，它的大气层就会暴露在太阳风的直接冲击下。

太阳风像一把无形的扫帚，数十亿年间持续不断的把火星的大气分子“刮走”。

原本火星可能有着厚厚的大气层，甚至表面可能存在液态水。

但随着磁场的消失，大气逐渐流失，气压降低，表面温度下降，液态水无法稳定存在，最终变成了我们今天看到的这个寒冷干燥的红色星球。

论文还推断，火星早期的磁场可能需要依靠其他特殊的能量来源，比如火星形成初期核心超级加热的余热，或者早期巨大陨石撞击事件提供的额外能量，又或者是火星卫星特殊轨道运动产生的潮汐效应。

这些外部因素可能在火星历史的早期阶段短暂地维持了磁场发电机的运转，但随着时间推移，当这些额外能量消散后，由于核心被保温层包裹无法有效冷却，火星就再也无法维持强大的磁场了。

所以，如果有一天我们想要迁居火星的话，要么需要给火星造一台巨大的发动机，要么得想办法把火星内核的“保温被”给掀了。

其实“给火星造一台巨大的发动机”这个想法并不遥远。

一些科学家已经提出了人工磁场的概念，比如在火星的拉格朗日点放置巨大的磁场发生器，为整个星球提供人工磁场屏障。

就像给火星撑起一把巨大的“保护伞”，虽然技术上极其复杂，但在理论上是可行的。

至于“掀掉保温被”，从物理原理上来说是有道理的。

如果真的能够移除或改变那层阻止核心有效散热的熔融硅酸盐层，让火星核心重新快速冷却，理论上确实可能重新启动内核结晶过程，进而产生足够的对流来维持磁场。

但“掀被”的难度有点大——我们需要深入到火星地下几千公里的深处去“动手”。

更现实的方案可能是局部磁场防护和大气层人工维护。

我们可以在火星表面的居住区域建立局部磁场，同时通过人工手段持续补充大气。虽然这听起来也很科幻，但比起"给火星做心脏手术"要容易一些。

这次的发现让我们更深入的理解了火星的“身体构造”，为未来的火星改造计划提供了更准确的“体检报告”。

也许有一天，当我们真的踏上这颗红色星球时，我们已经找到了让它重新焕发生机的方法。

不过在此之前，或许谁会先写出一个去火星核心给火星“动场手术”的盐选小说，也说不定。

邀请了孙道远教授团队的毕慧星博士回答一哈~

地球的内部是什么？

相信很多人都知道答案：地球从外到内可分为地壳、地幔和地核三大层，其中最内部地核又分为两层：外核是由熔融的铁和镍组成的液态层，而内核则是一个高温高压下形成的含轻元素的固态铁镍合金。

然而，对于太阳系中与地球最为相似的类地行星——火星，人类对它的内部结构却知之甚少。我们现已知道火星拥有一个巨大的液态外核，但关于这个液态核的中心是否存在一个固态内核，仍是未解之谜。

中国科学技术大学孙道远教授、毛竹教授团队联合国外学者的这项研究，就是在探明火星内部结构的道路上迈出的重要一步。

研究团队通过深入分析美国国家航空航天局（NASA）洞察号（InSight）探测器记录的火震数据，首次确证火星内部存在一个半径约600千米的固态内核，并揭示其主要成分构成可能是富含轻元素的结晶铁镍合金。

从地球到火星

探测行星的深部结构向来充满挑战——就拿我们最熟悉的地球来说，人类对其内部的认知就经历了漫长的探索。

1936 年，丹麦地震学家英格・莱曼（Inge Lehmann）发现，当地震波穿透脚下数千公里深的地球核心时，会出现一种奇特的“折射” 现象，传播速度会发生异常变化，这才首次推测地球存在一个固态内核。然而，受限于观测技术，这一洞见在随后数十年间仍未被完全证实。

直到20世纪80年代，科学家们借助更先进的地震波分析技术，并结合对地球自由振荡等精确数据的分析，才为固态内核的存在提供了多重独立的确凿证据，最终使这一结论成为牢固的科学共识。

对于地球的邻居——火星，这颗同样拥有巍峨高山、深邃峡谷和古老地表的红色星球，目前主流模型认为它的内部结构像个“椰子”： 最外层是以玄武岩为主且厚度不均的岩石圈火壳；中间是硅酸盐岩石构成的火幔；内部则是一个由液态铁、镍和硫等轻元素组成的巨大火核。

那么，火星是否也像地球一样拥有一颗“铁心”？它的内心是依然在炽热地涌动，还是早已冷却沉寂？

这些关于火星“内心”的谜题，一直等待着科学家们去探索和解答。

探明火星内部结构，怎么这么难？

要“透视”行星内部，科学家们的核心工具是地震学——这就像医院里的 CT 通过 X 光穿透人体反推内部结构，地震学依靠的是天然或人工震动产生的地震波。

这些看不见的“信使”主要分两类：P波（纵波）能穿过固态和液态，就像弹簧伸缩时的振动；S波（横波）只能在固态中传播，类似绳子抖动时的波动。两种波在不同材质、不同状态的介质中穿梭时，速度和路径会发生改变，科学家正是通过捕捉这些变化，反向勾勒行星内部的模样。

但在火星上探测震波，难度比地球大得多。

地球有成千上万个地震台站组成的“监听网络”，而火星直到2018年“洞察号”探测器的降落才迎来第一个火震仪。这就像在整个星球上只有一只耳朵，既难以判断震动来自哪里，也说不清地下结构的细节。

还有一个麻烦的问题是，火星是个相对“安静”的星球：它没有像地球那样活跃的板块运动，火震震级普遍很小，能量微弱；再加上火星上肆虐的沙尘暴会制造背景噪音，以及探测器自身运行都可能产生干扰信号，那些来自深部的关键震动很容易被淹没。

更关键的是，地震学本质是道“反向题”：我们看到的是地表记录的地震波形，要推测的是看不见的内部结构。就像根据水面涟漪反推石头的形状，同一组波形可能对应好几种模型。这时候就得联合“外援”—— 行星化学分析、陨石成分研究、重力场测量等数据，才能一步步逼近真相。这些难题叠加在一起，让火星深部结构的研究步履维艰。

这条路不好走，我就……换一条路！全新的研究方法

为了突破火星内部探测的重重难关，孙道远教授团队创新性地引入了火震阵列分析方法。

通俗来讲，常规的阵列分析方法就好比只用一只耳朵去听一群人说话，如果离得比较远、声音比较小，我们就很难分辨到底是谁在发出声音。研究团队创新地提出阵列分析方法，相当于很多只耳朵一起聆听，通过互相比对，就能准确判断听到声音的具体来源。

回到火星探测的场景，虽然只有一台火震仪，但它能记录到很多火震信号。研究团队于是反其道而行，把不同的火震信号构成一个阵列。他们可以预先判断出来自火星深部的信号的大致方向，然后巧妙地调整不同火震信号的时间差，再将它们同步叠加。这样一来，我们真正想捕捉的、微弱的深层信号就会不断放大，而其他方向杂乱无章的噪音则会因为不同步而相互抵消。这就好比专门为聆听火星的“心跳声”，定制了一个巨大的降噪系统，让关键信号凸显出来。

截至目前，洞察号已经记录到上千个火震事件，但由于很多火震震级小、噪声强，大部分事件都无法从中提取到有用信息。研究团队从中精心筛选出 23 个信噪比较高的事件，借助火震阵列分析方法，成功提取出了穿过火星核的关键信号，比如在地表反射的 PKPPKP（缩写成P＇P＇）和在核幔边界反射的 PKKP。

这些看似复杂的英文缩写，其实是震波从震源到探测器的“路径代码”。这套代码用简单的字母，清晰地标记了地震波在星体不同圈层穿梭的旅程：

• P 代表在壳/幔中传播的纵波；
• K 代表穿过了液态外核的波（这个字母来源于德语“Kern”，意为核）；
• i 代表在内核边界反射一次的波；

举例来说，PKP的含义是某个地震波从壳/幔（P）进入液态外核（K），最终又返回地表接收器（P）的路径，这是一种能高效穿透星核的波；如果PKP在地表再反射一次，就是PKPPKP；而PKKP的路径更为曲折，它在外核中经历了一次反射，多走了一段路程（用第二个 K 表示），因此它携带着关于核幔边界性质的独特信息。

上图中分别展示了PKKP等震波信号在无内核（a）和有内核（b）两种理论情形下的传播路径。在实际观测中，PKKP（橙色线条）到达时间比主流观点中仅考虑液态核的火星速度模型所预测的结果提前了50至200秒。已知地震波在固体中的传播速度要比在液体中快，因此这一明显的时间差异向我们揭示：火星核具有分层结构，外层是液态核，而更深的地方则存在一个波速更高的固态内核。

在进一步的分析中，研究团队首次在火震数据里识别出了被视为“固态内核标志” 的PKiKP信号（红色线条）。这一发现无疑为火星存在固态内核提供了更有力的直接证据。结合不同的火核信号，团队推测出火星固态内核的半径约为600公里，占火星半径的1/5（下图）。

同时，火震数据还显示，火星外核与内核之间存在约30%的波速跳变以及约7%的密度差异。基于这些数据，研究团队进一步对内核的矿物组成展开了分析，结果发现火星核并非由纯铁镍构成，其中还可能包含12–16%的硫、6.7–9.0% 的氧以及不超过3.8%的碳。

这项研究有啥用呢？

首先，它为解开火星的诸多谜团提供了关键线索。

它不仅证实了火星固态内核的存在，还揭示了其分层结构与成分，这有助于解答火星磁场为何消失、地质活动如何从活跃走向沉寂等重大科学问题。通过对比火星与地球的内核结构，科学家能更清晰地理解类地行星的演化路径，探寻行星宜居性的深层规律。

同时，它提供了新的研究方法。

在行星科学领域，这项研究突破了单台地震仪探测的局限，为其他天体内部结构探测提供了新方法，同时对未来探月工程提供了重要的技术参考。月球作为地球唯一的天然卫星，其内部结构的探索一直是探月工程的重要课题。火星探测中运用的火震阵列分析方法、多学科数据结合解读内部结构的思路，都可为月球内部探测提供宝贵经验，比如更精准地探测月球内核状态、月幔成分等，助力我们深入了解月球的演化历史，为月球资源开发、月球基地建设等规划提供科学依据。

期待随着更多火星探测器的部署（求求不要再砍项目了T-T），继续揭开火星内核的神秘面纱，让我们离理解太阳系乃至宇宙的演化奥秘更近一步。

参考文献：

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

作者：毕慧星（中国科学技术大学博士生）

出品：科学大院

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