为何水星与太阳之间空无一物？

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2019-07-12 10:23

原创：牧夫天文

翻译：华子乾

校译：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：库特莉亚芙卡李子琦

原文链接：

https://astrobites.org/2018/12/28/why-is-there-nothing-between-mercury-and-the-sun/

当米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎罗兹在1995年发现第一颗系外行星飞马座b时，天文学家发现其与宿主恒星之间的距离仅有令人震惊的0.05天文单位，比水星和太阳之间的距离（0.38天文单位）小了整整七倍还多。事实上，如果我们将所有已知的系外行星放入太阳系，大部分会落在水星和太阳之间的真空区域。例如，开普勒11在水星轨道距离以内有整整5颗行星，而太阳系一颗也没有。

如果这样密近的行星是如此常见，那为什么太阳系中却没有呢？天文学家克里斯托弗·斯伯丁在刚发表的文章中提出太阳本身抑制了水星轨道以内行星的存在。正如之前一篇文章中提到的，形成行星的基本单元（称之为星子）并不会在小于0.3天文单位的区域内形成。斯伯丁进一步提出太阳强劲的星风会吹走所有的小星子。当太阳附近缺少形成行星的基本单元时，行星的形成就会变得困难许多。

原初太阳的威力

太阳是我们太阳系的心脏，通过其核心的核反应照亮所有的行星。但是同时，太阳也向太阳系吹出由带电亚原子粒子构成的太阳风。强劲的太阳风中包含了由太阳磁场发射出的质子、电子和阿尔法粒子。当这些粒子轰击地球的大气层时，就会在地球的南北极点亮极光。如果没有大气层的保护，地球上的生命就会受到严重的威胁。

而在早期太阳系中，小型星子面临着更加严重的威胁。曾经的太阳风比现在强烈许多。太阳刚刚形成时，其具有更强的磁场和更高的自转速度，这两者都促使了质量十倍于现在的太阳风。当星子穿过太阳风时，带电粒子介质的向外运动会将星子带走，远离太阳（如太阳风这样的介质对经过其中的物体的运动的影响被称为冲压）。自然地，更小的星子会更容易被吹走。

多大的天体会受到太阳风的影响？

斯伯丁考虑了三种大小的小型星子（10米，100米和1000米量级）受到太阳风影响产生的径向移动的大小。星子最初处于0.1天文单位的位置，考虑1亿年的影响，也就是两倍于地球形成所需要的时间。在这些模拟中，斯伯丁发现在1亿年的尺度上，大于1000米尺寸的天体只会被推到大约0.2天文单位的位置。但是100米尺寸的天体会在短短三百万年内就达到0.3天文单位，也就阻止了水星内可能的石质行星的形成。

损失了多少物质？

尽管小型星子的数量要比大型的多得多，但是星子总质量的大部分还是存在于大型星子中。因此，如果有大量大型星子的存在，那么即使所有小型星子都被太阳风吹走了，也不会有很大的影响。但是，斯伯丁认为如果木星最初可以提供星子，那这完全不会成为一个问题。通常认为当气态巨行星从尘埃盘中产生后，他们会从他们产生的位置，通常更靠近恒星的地方，向外迁移。有天文学家提出木星从太阳系中很遥远的位置一路迁移至1.5天文单位处，随后土星的形成将其拖到了现在距离太阳5.2天文单位的位置。当木星经过太阳系内部时，也将带来大量星子的补充—甚至是10到20倍地球质量。如果这一情况确实发生了，那么水星轨道以内的大部分星子都是木星运动到太阳系内部的结果。

如果这些星子的轨道改变大到足以从太阳系外围运动到太阳附近，最大的星子很有可能会相互碰撞并瓦解！经过这些碰撞，大到100千米左右的星子会自发瓦解成100米左右大小的星子，大大增加了受到太阳风影响的星子的数量。斯伯丁发现如果所有尺寸大于100千米的星子都瓦解成了更小的天体，至少0.1倍地球质量的小星子会被吹出水星轨道以外。这就等于两倍水星质量。

无法填充的真空

当所有尺寸小于100米的天体都被吹出水星轨道以外时，行星形成过程会变的十分缓慢，以至于一个天体很难成长到行星大小。像水星和地球这样的石质行星从胚胎开始形成（大于1000千米，或者大于最大的小行星谷神星），并与其它胚胎或者更小的星子碰撞并合。没有大量小天体，这些胚胎就失去了与其他天体碰撞并合的机会。因此，当碰撞发生的概率很低时，产生行星大小的天体也就需要更长的时间。

但是，如果这一过程所需要的时间过长，水星和其他已经形成的行星就会有时间改变这些胚胎的轨道，大概率使其向太阳系外部运动，并与其他行星碰撞。结合太阳风的影响，这会使得在水星内侧既缺少小天体，也缺少足够大的天体来形成行星。

与以往理论的比较

曾经有理论认为由于水星以内没有行星是因为在这一区域内没有星子（10到100千米）形成。这一理论则是提出了另一种假设，如果大量星子和迷你星子（10到100米）被木星迁移带到了这一区域会发生什么？作者用小天体会被原初太阳的星风吹远这一理论来回答了这个问题。总之，能看到对同一个问题有两种截然不同的途径去解释是一件令人欣慰的事情，当我们更好的理解这一现象后，我们也就可以更好地理解太阳系是否真的如此特殊。

『天文时刻』牧夫出品

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