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原創(chuàng)：牧夫天文

翻譯：華子乾

校譯：牧夫校對組

編排：陶邦惠

后臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

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

當(dāng)米歇爾·馬約爾和迪迪?！た_茲在1995年發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星飛馬座b時，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)其與宿主恒星之間的距離僅有令人震驚的0.05天文單位，比水星和太陽之間的距離（0.38天文單位）小了整整七倍還多。事實上，如果我們將所有已知的系外行星放入太陽系，大部分會落在水星和太陽之間的真空區(qū)域。例如，開普勒11在水星軌道距離以內(nèi)有整整5顆行星，而太陽系一顆也沒有。

如果這樣密近的行星是如此常見，那為什么太陽系中卻沒有呢？天文學(xué)家克里斯托弗·斯伯丁在剛發(fā)表的文章中提出太陽本身抑制了水星軌道以內(nèi)行星的存在。正如之前一篇文章中提到的，形成行星的基本單元（稱之為星子）并不會在小于0.3天文單位的區(qū)域內(nèi)形成。斯伯丁進(jìn)一步提出太陽強勁的星風(fēng)會吹走所有的小星子。當(dāng)太陽附近缺少形成行星的基本單元時，行星的形成就會變得困難許多。

原初太陽的威力

太陽是我們太陽系的心臟，通過其核心的核反應(yīng)照亮所有的行星。但是同時，太陽也向太陽系吹出由帶電亞原子粒子構(gòu)成的太陽風(fēng)。強勁的太陽風(fēng)中包含了由太陽磁場發(fā)射出的質(zhì)子、電子和阿爾法粒子。當(dāng)這些粒子轟擊地球的大氣層時，就會在地球的南北極點亮極光。如果沒有大氣層的保護(hù)，地球上的生命就會受到嚴(yán)重的威脅。

而在早期太陽系中，小型星子面臨著更加嚴(yán)重的威脅。曾經(jīng)的太陽風(fēng)比現(xiàn)在強烈許多。太陽剛剛形成時，其具有更強的磁場和更高的自轉(zhuǎn)速度，這兩者都促使了質(zhì)量十倍于現(xiàn)在的太陽風(fēng)。當(dāng)星子穿過太陽風(fēng)時，帶電粒子介質(zhì)的向外運動會將星子帶走，遠(yuǎn)離太陽（如太陽風(fēng)這樣的介質(zhì)對經(jīng)過其中的物體的運動的影響被稱為沖壓）。自然地，更小的星子會更容易被吹走。

多大的天體會受到太陽風(fēng)的影響？

斯伯丁考慮了三種大小的小型星子（10米，100米和1000米量級）受到太陽風(fēng)影響產(chǎn)生的徑向移動的大小。星子最初處于0.1天文單位的位置，考慮1億年的影響，也就是兩倍于地球形成所需要的時間。在這些模擬中，斯伯丁發(fā)現(xiàn)在1億年的尺度上，大于1000米尺寸的天體只會被推到大約0.2天文單位的位置。但是100米尺寸的天體會在短短三百萬年內(nèi)就達(dá)到0.3天文單位，也就阻止了水星內(nèi)可能的石質(zhì)行星的形成。

損失了多少物質(zhì)？

盡管小型星子的數(shù)量要比大型的多得多，但是星子總質(zhì)量的大部分還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陽風(fēng)吹走了，也不會有很大的影響。但是，斯伯丁認(rèn)為如果木星最初可以提供星子，那這完全不會成為一個問題。通常認(rèn)為當(dāng)氣態(tài)巨行星從塵埃盤中產(chǎn)生后，他們會從他們產(chǎn)生的位置，通常更靠近恒星的地方，向外遷移。有天文學(xué)家提出木星從太陽系中很遙遠(yuǎn)的位置一路遷移至1.5天文單位處，隨后土星的形成將其拖到了現(xiàn)在距離太陽5.2天文單位的位置。當(dāng)木星經(jīng)過太陽系內(nèi)部時，也將帶來大量星子的補充—甚至是10到20倍地球質(zhì)量。如果這一情況確實發(fā)生了，那么水星軌道以內(nèi)的大部分星子都是木星運動到太陽系內(nèi)部的結(jié)果。

如果這些星子的軌道改變大到足以從太陽系外圍運動到太陽附近，最大的星子很有可能會相互碰撞并瓦解！經(jīng)過這些碰撞，大到100千米左右的星子會自發(fā)瓦解成100米左右大小的星子，大大增加了受到太陽風(fēng)影響的星子的數(shù)量。斯伯丁發(fā)現(xiàn)如果所有尺寸大于100千米的星子都瓦解成了更小的天體，至少0.1倍地球質(zhì)量的小星子會被吹出水星軌道以外。這就等于兩倍水星質(zhì)量。

無法填充的真空

當(dāng)所有尺寸小于100米的天體都被吹出水星軌道以外時，行星形成過程會變的十分緩慢，以至于一個天體很難成長到行星大小。像水星和地球這樣的石質(zhì)行星從胚胎開始形成（大于1000千米，或者大于最大的小行星谷神星），并與其它胚胎或者更小的星子碰撞并合。沒有大量小天體，這些胚胎就失去了與其他天體碰撞并合的機會。因此，當(dāng)碰撞發(fā)生的概率很低時，產(chǎn)生行星大小的天體也就需要更長的時間。

但是，如果這一過程所需要的時間過長，水星和其他已經(jīng)形成的行星就會有時間改變這些胚胎的軌道，大概率使其向太陽系外部運動，并與其他行星碰撞。結(jié)合太陽風(fēng)的影響，這會使得在水星內(nèi)側(cè)既缺少小天體，也缺少足夠大的天體來形成行星。

與以往理論的比較

曾經(jīng)有理論認(rèn)為由于水星以內(nèi)沒有行星是因為在這一區(qū)域內(nèi)沒有星子（10到100千米）形成。這一理論則是提出了另一種假設(shè)，如果大量星子和迷你星子（10到100米）被木星遷移帶到了這一區(qū)域會發(fā)生什么？作者用小天體會被原初太陽的星風(fēng)吹遠(yuǎn)這一理論來回答了這個問題?？傊?，能看到對同一個問題有兩種截然不同的途徑去解釋是一件令人欣慰的事情，當(dāng)我們更好的理解這一現(xiàn)象后，我們也就可以更好地理解太陽系是否真的如此特殊。

『天文時刻』 牧夫出品

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影像來源: NASA, SOFIA, Hubble