根据一项基于美国宇航局洞察号着陆器捕获的观测数据的研究，科学家们发现了火星地下深处存在奇怪质量异常的证据。这项新研究还报告了火星自转的轻微加速，并支持了火星缺乏固体内核的理论，这对火星过去的宜居性有影响。
洞察号于2022年12月结束了它的任务，这些最新的结果为研究火星的地下层打开了一扇新的窗口，包括它的核心和地幔，并表明它的旋转速度可能会由于内部、大气或冰盖中无法解释的动力学而发生变化。除了探测火星的现代结构外，洞察号的观测还提供了火星在过去45亿年里形成和演化的细节，这可能会揭示一个诱人的问题，即火星上是否曾有外星生命居住。
洞察号是利用地震调查、大地测量学和热传输进行内部探测的缩写，于2018年11月26日降落在火星赤道极乐世界平原地区。在接下来的四年里，着陆器探测到1300多次“火星地震”，这是火星版的地震，通过捕捉地震波来窥探火星，为一颗外星行星的内部提供了前所未有的视角。
虽然洞察号的许多发现都来自于它的地震记录，但该任务还配备了一个名为旋转和内部结构实验(RISE)的迷人系统，该系统可以在着陆器和地球上的巨型无线电天线之间的行星际空间中反射无线电信号。
根据周三发表在《自然》(Nature)杂志上的一项研究，现在，由比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的行星科学家sassaribastien Le Maistre领导的研究人员利用RISE“确定了火星核心、地幔和大气的基本特性”，得出了一系列惊人的发现。
“基本上，这一切都令人惊讶!”Le Maistre在一封电子邮件中告诉Motherboard。“自转的缓慢加速是一个巨大的惊喜，迄今为止还没有任何理论能预测到。由于火星表面和地壳不处于流体静力平衡状态，所以火星核心的几乎流体静力形状(即流体旋转行星的核心形状)也是出乎意料的!我们花了很长时间，很难找到合理的过程来解释内核意外变平的原因。”
他补充说:“尽管RISE数据比我在航天器到达火星之前预期的要准确，但我们从中提取目标信号的努力程度却惊人地高。”
RISE的新结果暗示，内部的“质量异常”，即密度和成分与周围环境不同的区域，被埋在火星表面下约12英里的地幔中，并向下延伸969英里，直到到达核心。
“火星的形状和重力场主要是由它的自转速度决定的，在较小程度上是由表面和内部质量异常决定的，”勒梅斯特解释说。“以前的研究表明，观测到的形状和重力场可以用表面地形和地壳-地幔界面(MOHO)的起伏(或质量异常)引起的载荷来解释。”
“然而，隐含的地核形状与我们的研究结果不一致，我们的研究结果要么需要在岩石圈底部几百公里深处的质量异常，要么需要在MOHO和地幔底部的质量异常，”他继续说。“当今厚厚的岩石圈对地球的冷却速度和地幔和地壳内产生热量的放射性元素的重新分配提供了限制。岩石圈内的质量异常可能是化学原因，也可能是由于侧向温度变化导致的锁定在坚硬岩石圈内的密度异常。”
RISE使科学家能够追踪洞察号的位置，精确到一英尺以内，甚至可以跨越火星和地球之间数亿英里的距离。这种灵敏度产生了对火星旋转及其摆动轴的难以置信的精确测量，这两者都受到行星内部成分的影响。因此，当洞察号的地震仪利用火星地震瞥见火星内部时，RISE可以利用其对火星旋转和轴向运动的敏锐感知来探索地下结构。
Le Maistre是由比利时皇家天文台的地球物理学家vassaronique Dehant领导的团队的一员，他也是这项研究的合著者，现在正在领导对RISE数据的分析。这项新研究包含了从2018年11月27日——也就是“洞察号”登陆火星的第二天——到2021年5月31日之间收集的观测数据。这个庞大的数据集跨越了890个火星日，包括544个追踪通道，大约有25000个单独的数据点。
几十年来，科学家们一直在争论火星是否有一个固体内核，类似于地球的中心，或者它的核心是否完全由熔融液体组成。通过利用RISE研究火星自转的微小细节，勒·梅斯特尔的团队能够分别描绘火星的地核和地幔层，揭示出火星的地核可能完全由熔化的铁硫合金组成，其半径约为1170英里。
勒·梅斯特尔说:“如果再加上我们对其化学成分的了解，内核的缺失可以告诉我们核心内部目前的温度。”
这些发现对评估数十亿年前火星是否曾经有过生命有间接的意义，当时火星有更厚的大气层，有保护磁场，表面有液态水。虽然地球的固体内核仍然为地球的磁场提供动力，但火星可能已经变得不适合生命居住，部分原因是它缺乏固体内核，导致其新生的磁场崩溃。
“地核的热状态和组成对磁发电机的历史很重要，这反过来又可能对火星历史早期大气的保留和表面可能的可居住性产生重要影响，”勒迈斯特说。
他指出，固体地核的缺失也“与大约(30亿年前)地核产生的磁场的早期停止相一致”。
最后但并非最不重要的是，研究人员在RISE数据中发现了火星自转的轻微增加，这一点至今仍未得到解释。研究小组推测，这种缓慢的加速可能是由火星内部的长期变化所驱动的，或者可能是由极地冰盖逐渐积累的冰所导致的大气压力的小幅下降所导致的。
“火星在过去40年里略有加速的原因可能是多方面的(即同时有几个原因)，”勒迈斯特说。“它甚至可能是一种观测产物，尽管我们在独立的数据集中发现了这一点，这些数据集由不同的软件和团队处理。”
“未来的观测肯定可以帮助解决这个谜团，首先通过确认信号，其次通过限制其性质(例如，如果它在压力数据中被看到，人们可以得出结论，它与行星的大气有关)，”他继续说道，并指出他的团队计划在未来发表关于该主题的新研究。
去年年底，“洞察号”的太阳能电池板积满灰尘，无法再发电，“洞察号”因此死亡。但这项新的研究表明，通过对火星内部无与伦比的观察，这项任务将继续下去，这些观察解决了有关我们邻近世界的基本谜团，同时也为未来的任务提出了令人回味的新问题。
Le Maistre总结道:“尽管洞察号已经退役，但实际上RISE的数据比已经完成的要多得多。”“例如，我们希望很快，通过分析完整的RISE数据集，我们不仅能够进一步约束火星内部，还能进一步约束火星大气的动力学及其与地球冰盖的相互作用。”
