类地行星的内部圈层结构是深空探测重要目标之一，其不仅记录了行星的形成与演化重要信息，也是判断行星宜居性的重要依据。行星核又是行星圈层结构中最难以触及的心脏地带，其大小、密度和成分决定着行星的发电机历史与状态。对火星而言，火星核的尺寸、密度与成分是回答火星磁场产生与消亡、火星(曾经)是否宜居的重要依据。美国宇航局发射的InSight登陆器于2018年成功登陆火星，其携带的单台火震仪已经成功记录了携带内部圈层结构信息的多次火震事件，但是火星的壳、幔、核的信号仍然不能做到有效分离。InSight登陆器携带的RISE载荷(Rotation and Interior Structure Experiment)便是为解决这一难题而设计的(图1)。其工作原理是利用地球上的深空站追踪登陆器的位置(多普勒频移)，据此推算火星的自转状态(岁差、章动和晃动)，并希望通过探测火星核的自由章动(Free Core Nutation)获取火星核的半径、密度和成分，以及核幔边界的密度跳跃信息。
图1 InSight登陆器上的RISE载荷(戏称大耳朵) (来源: NASA/InSight)
来自比利时皇家天文台的Le Maistre et al.(2023)利用InSight登陆器的“大耳朵”(RISE)观测的数据和“海盗一号”(Viking 1)观测的数据成功获取了火星自转参数(图2)。这些参数包括火星岁差加速项(图2a)、岁差率(图2b)、核放大因子(图2c)以及核自由章动周期(图2d)。观测结果在着陆器开始工作的～600个地球日逐渐收敛，据此得到了火星岁差加速项为4.11 10-12 9.1 10-13 degrees/天2，岁差率为-7,598 2.2 mas/年(极惯性矩因子为0.36417 0.00011)，核放大因子为0.0615 0.007，核自由章动周期为-243 3.3个地球日 (负号表示逆时针)。众所周知，在太阳潮汐长期减速作用下，火星的自转速率应该逐渐减慢，日长逐渐增加。然而，火星岁差加速表明火星自转速率存在加速现象且加速度为4.0 0.9 mas/年2，对应火星日长缩短速率为7.6 10-4 ms/年；那么火星的动力学扁率J2也会存在长期减小趋势且其速率为-4.4 10-12/年。其可能的物理激发源来自于火星内部动力学过程(例如两极的冰后期反弹)、两极冰盖和大气质量交换。此外，火星自转参数可以用来反演火星核的密度分布。
图2 火星自转参数的估计。(a)岁差速率加速项；(b)岁差率；(c)核放大因子F；(d)核自由章动周期 FCN（Le Maistre et al., 2023）
Le Maistre等利用观测的核放大因子、核自由章动周期，并结合矿物物理模拟手段反演了火星核的大小、密度和成分信息。核放大因子F非零表明火星一定存在一个液核，根据F的值还可以计算出液核在球对称且处于流体静力平衡状态下赤道惯性矩因子为0.0286 0.0033，对应液核半径为1835 55 km(图3b)。核自由章动周期 FCN包含了火星核的密度分布信息，因此Le Maistre等构建了不同的负荷模型(荷载分别位于火星表面、火壳底部或岩石圈底部、火幔底部)来模拟观测到的 FCN值，发现仅在火星核存在质量异常的情况下才能吻合观测值(图3a, c)。但是采用的先验模型与该研究的结果并不自洽，先验的火星矿物模型中火核的半径远小于反演的结果。
图3 火星内部圈层结构与火星核自由章动参数函数关系（Le Maistre et al., 2023）
根据火星核自由章动周期 FCN，Le Maistre等计算了火星核-幔密度跳跃值为1690-2110 kg/m3(图4)，火星核密度为5955-6290 kg/m3，这个结果是Stahler et al.(2021)利用ScS震相获取的密度上限(5700-6300 kg/m3)且范围更小，同时也与利用火核转换震相获取的平均密度值接近(6200-6300 kg/m3, Irving et al. 2023)，这表明火星核存在大比例的轻元素。利用计算的火星核半径、来自火星陨石样品和宇宙化学的约束，在合理的火星核轻元素成分假设下(主要为S，其次为O和C，还包含少量H)，Le Maistre等计算了火星核轻元素成分比例。
图4 火星核自由章动周期与核幔边界密度跳跃的关系（Le Maistre et al., 2023）
Le Maistre等的计算结果表明：1 wt%的H含量能够很好地同时满足火星陨石、宇宙化学测量值和火星核自由章动周期观测值(图5)。在这种情况下，火星核S含量为15 2 wt%，O含量为2.5 0.5 wt%，C含量为1.5 0.5 wt%，这比Stahler et al.(2021)的估计更高。根据Le Maistre等计算的成分结果，火星核的液相线温度在～40GPa压力下为～1075 K，远低于现今的火星核温度(1800-2400 K)。由于RISE没有观测到相应的FICN (Free Inner Core Nutation, 内核自由章动)，表明火星核不存在固态内核，这也是目前火星磁场发电机停止工作的重要原因。
图5 火星核轻元素成分与半径之间的关系（Le Maistre et al., 2023）
然而，岩浆洋冷却模型指出火星演化后期会在火幔底部形成高温熔融层，这一熔融层会与液态火星核高度耦合，因此会产生共振增强火星核自由章动振幅。正如Le Maistre等所说，仅利用火星核自转参数无法确定火幔底部是否存在高温熔融层，需要结合火震学研究与动力学模拟约束。如果这一熔融层存在(火震数据揭示的熔融层厚度约200 km)，那么火星核的真实尺寸可能更小，轻元素含量也更低，但最终结果不会导致火星核液相线温度高于现今火星核温度。
主要参考文献
Irving J C E, Lekic V, Duran C, et al. First observations of core-transiting seismic phases on Mars[J]. PNAS, 2023, 120: e2217090120.
Le Maistr S, Rivoldini A, Caldiero A, et al. Spin rate and deep interior structure of Mars from InSight radio tracking[J]. Nature, 2023.（原文链接）
Stahler S C, Khan A, Banerdt W B, et al. Seismic detection of the martian core[J]. Science, 2021, 373: 443-448.
（撰稿：徐长仪，姜衍/地星室）
附件下载：