隕石撞擊揭開火星隱藏的「地震高速公路」

新研究顯示，隕石撞擊火星所產生的地震訊號，傳播深度遠超先前預期，這也揭露出火星內部出人意料的特性。火星是太陽系中第二小的行星，也是距離太陽第四近的行星。它是一個塵土飛揚、寒冷的沙漠世界，大氣層非常稀薄。由於表面普遍存在氧化鐵，使其呈現紅色，因此也被稱為「紅色行星」。火星的名字源自羅馬戰神。

科學家們將美國國家航空暨太空總署（NASA）洞察號登陸器所記錄的火星地震資料，與火星勘測軌道飛行器所識別出的撞擊隕石坑進行比對。結果發現，某些撞擊事件會在火星地幔中形成一條「地震高速公路」，而非被地殼所減弱。這項重大突破挑戰了先前有關火星內部的模型，也有助於我們更精準地理解包括地球在內的巖質行星。

隕石撞擊火星產生的地震波，會比先前認為的更深入行星內部。這一發現來自兩項新研究，研究人員將洞察號登陸器記錄的火星地震資料，與火星勘測軌道飛行器（MRO）識別出的撞擊隕石坑進行比對。這兩項研究於2月3日發表在《地球物理研究通訊》上，顯示出即便NASA在2022年讓洞察號退役，其資料仍持續提供著寶貴的見解。洞察號是首個在火星上放置地震儀的任務，它檢測到超過1300次火星地震。這些地震的成因，可能是地下深處的岩石在高溫和高壓下破裂，也可能是隕石撞擊火星表面所致。

透過分析地震波如何穿過火星的地殼、地幔和地核，科學家們能夠更好地瞭解火星的內部結構。這項研究不僅讓我們對火星有更深入的認識，也有助於解釋地球和月球等巖質行星的演化過程。

過去，研究人員曾拍攝到新形成的撞擊隕石坑影象，並找到了與隕石坑形成日期和位置相符的地震資料。但這兩項新研究首次將一次新的撞擊事件，與在賽伯勒斯槽溝（Cerberus Fossae）檢測到的震動聯絡起來。賽伯勒斯槽溝是火星上一個特別容易發生地震的區域，距離洞察號登陸器約1640公里。

這個撞擊隕石坑的直徑為21.5公尺，根據地震能量判斷，它與洞察號的距離比科學家預期的要遠得多。火星地殼具有獨特的特性，一般認為它會減弱撞擊產生的地震波。然而，研究人員對賽伯勒斯槽溝撞擊事件的分析表明，該事件產生的地震波透過火星地幔的路徑更為直接。

洞察號團隊現在必須重新評估他們有關火星內部組成和結構的模型，以解釋撞擊產生的地震訊號為何能傳播到如此深的地方。洞察號團隊成員、倫敦帝國學院的康斯坦丁諾斯・查拉蘭布斯表示：「我們過去認為，絕大多數地震事件檢測到的能量都被困在火星地殼內傳播。這一發現顯示出一條更深、更快的路徑——可以稱之為『地震高速公路』——透過地幔，使地震能夠傳播到行星更遠的區域。」

美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（JPL）位於南加州，該實驗室開發的一種機器學習演演算法，在發現賽伯勒斯槽溝隕石坑的過程中發揮了關鍵作用。這種人工智慧工具能夠在短短幾小時內，篩選火星勘測軌道飛行器的情境相機拍攝的數萬張黑白影象，檢測出隕石坑周圍的爆炸區域。該工具會挑選出候選影象，供擅長識別火星上哪些微妙色彩變化值得用火星勘測軌道飛行器的高解析度成像科學實驗（HiRISE）相機進行更詳細拍攝的科學家進行檢查。

瑞士伯恩大學的洞察號團隊成員瓦倫丁・比克爾表示：「如果手動完成這項工作，可能需要數年時間。使用這個工具，我們在短短幾天內就從數萬張影象中篩選出了少數幾張。它雖然不如人類，但速度極快。」

比克爾和他的同事們在洞察號登陸器位置周圍約3000公里的範圍內尋找隕石坑，希望找到一些在登陸器地震儀記錄期間形成的隕石坑。透過比較情境相機在不同時間段拍攝的前後影象，他們找到了123個新形成的隕石坑，並將其與洞察號的資料進行交叉比對；其中49個可能與登陸器地震儀檢測到的地震相匹配。查拉蘭布斯和其他地震學家進一步篩選，最終確定了直徑21.5公尺的賽伯勒斯槽溝撞擊隕石坑。

科學家們對洞察號資料的研究越深入，就越擅長區分源自行星內部的訊號和隕石撞擊產生的訊號。在賽伯勒斯槽溝發現的這次撞擊事件，將有助於他們進一步完善區分這些訊號的方法。查拉蘭布斯表示：「我們原本認為，賽伯勒斯槽溝產生了許多與內部地震相關的高頻地震訊號，但這表明其中一些活動可能並非源自該區域，實際上可能是由撞擊引起的。」

這些發現也凸顯出研究人員如何利用人工智慧，透過更好地利用美國國家航空暨太空總署和歐洲太空總署（ESA）任務收集的所有資料，來推動行星科學的發展。除了研究火星隕石坑，比克爾還利用人工智慧尋找滑坡、塵捲風以及在陡峭斜坡上出現的季節性暗色特徵，即所謂的斜坡紋或反覆出現的斜坡線。人工智慧工具也被用於在月球上尋找隕石坑和滑坡。

比克爾表示：「現在我們有來自月球和火星的大量影象，難題在於如何處理和分析這些資料。我們終於進入了行星科學的大資料時代。」

參考文獻：New Impacts on Mars: Systematic Identification and Association With InSight Seismic Events by V. T. Bickel, I. J. Daubar, G. Zenhäusern, G. Doran, C. Charalambous, B. Fernando, A. Sokolowska, K. L. Wagstaff, T. Pike, S. C. Stähler, J. Clinton and D. Giardini, 3 February 2025, Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2024GL109133 New Impacts on Mars: Unraveling Seismic Propagation Paths Through a Cerberus Fossae Impact Detection by Constantinos Charalambous, W. Thomas Pike, Benjamin Fernando, Natalia Wójcicka, Doyeon Kim, Marouchka Froment, Philippe Lognonné, Savana Woodley, Lujendra Ojha, Valentin T. Bickel, Joseph McNeil, Gareth S. Collins, Ingrid J. Daubar, Anna Horleston and Bruce Banerdt, 3 February 2025, Geophysical Research Letters. DOI: 10.1029/2024GL110159

美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（JPL）為該機構的科學任務理事會管理洞察號任務。洞察號是美國國家航空暨太空總署探索計劃的一部分，該計劃由阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心監督。丹佛的洛克希德・馬丁太空公司建造了這艘太空船，包括其巡航級和登陸器，並在整個任務期間提供運營支援。

幾個歐洲合作夥伴在洞察號任務的成功中發揮了關鍵作用。法國國家太空研究中心（CNES）提供了內部結構地震實驗（SEIS）儀器，由巴黎地球物理研究所（IPGP）牽頭。IPGP、德國馬克斯・普朗克太陽系研究所（MPS）、瑞士蘇黎世聯邦理工學院、倫敦帝國學院、牛津大學和噴射推進實驗室也為SEIS儀器做出了貢獻。德國航空太空中心（DLR）提供了熱流和物理性質套件（HP3），波蘭科學院太空研究中心（CBK）和波蘭的Astronika也有參與。西班牙天體生物學中心（CAB）提供了該任務的溫度和風感測器。

位於加州帕薩迪納的加州理工學院旗下的噴射推進實驗室，也為華盛頓的美國國家航空暨太空總署科學任務理事會管理火星勘測軌道飛行器（MRO）。亞利桑那大學負責運營火星勘測軌道飛行器的高解析度成像科學實驗（HiRISE），該裝置由科羅拉多州博爾德的BAE系統公司建造。由聖地牙哥的馬林太空科學系統公司設計和運營的情境相機，在捕捉火星表面詳細影象方面也發揮了關鍵作用。