為何水星與太陽之間空無一物？_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：華子乾

校譯：牧夫校對組

編排：陶邦惠

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

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

當米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎羅茲在1995年發現第一顆系外行星飛馬座b時，天文學家發現其與宿主恆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域。例如，開普勒11在水星軌道距離以內有整整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，那為什麼太陽系中卻沒有呢？天文學家克里斯托弗·斯伯丁在剛發表的文章中提出太陽本身抑制了水星軌道以內行星的存在。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）並不會在小於0.3天文單位的區域內形成。斯伯丁進一步提出太陽強勁的星風會吹走所有的小星子。當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成的太陽風。強勁的太陽風中包含了由太陽磁場發射出的質子、電子和阿爾法粒子。當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，地球上的生命就會受到嚴重的威脅。

而在早期太陽系中，小型星子面臨着更加嚴重的威脅。曾經的太陽風比現在強烈許多。太陽剛剛形成時，其具有更強的磁場和更高的自轉速度，這兩者都促使了質量十倍於現在的太陽風。當星子穿過太陽風時，帶電粒子介質的向外運動會將星子帶走，遠離太陽（如太陽風這樣的介質對經過其中的物體的運動的影響被稱為衝壓）。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）受到太陽風影響產生的徑向移動的大小。星子最初處於0.1天文單位的位置，考慮1億年的影響，也就是兩倍於地球形成所需要的時間。在這些模擬中，斯伯丁發現在1億年的尺度上，大於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就達到0.3天文單位，也就阻止了水星內可能的石質行星的形成。

損失了多少物質？

儘管小型星子的數量要比大型的多得多，但是星子總質量的大部分還是存在於大型星子中。因此，如果有大量大型星子的存在，那麼即使所有小型星子都被太陽風吹走了，也不會有很大的影響。但是，斯伯丁認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。通常認為當氣態巨行星從塵埃盤中產生後，他們會從他們產生的位置，通常更靠近恆星的地方，向外遷移。有天文學家提出木星從太陽系中很遙遠的位置一路遷移至1.5天文單位處，隨後土星的形成將其拖到了現在距離太陽5.2天文單位的位置。當木星經過太陽系內部時，也將帶來大量星子的補充—甚至是10到20倍地球質量。如果這一情況確實發生了，那麼水星軌道以內的大部分星子都是木星運動到太陽系內部的結果。

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並瓦解！經過這些碰撞，大到100千米左右的星子會自發瓦解成100米左右大小的星子，大大增加了受到太陽風影響的星子的數量。斯伯丁發現如果所有尺寸大於100千米的星子都瓦解成了更小的天體，至少0.1倍地球質量的小星子會被吹出水星軌道以外。這就等於兩倍水星質量。

無法填充的真空

當所有尺寸小於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，以至於一個天體很難成長到行星大小。像水星和地球這樣的石質行星從胚胎開始形成（大於1000千米，或者大於最大的小行星穀神星），並與其它胚胎或者更小的星子碰撞併合。沒有大量小天體，這些胚胎就失去了與其他天體碰撞併合的機會。因此，當碰撞發生的概率很低時，產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，並與其他行星碰撞。結合太陽風的影響，這會使得在水星內側既缺少小天體，也缺少足夠大的天體來形成行星。

與以往理論的比較

曾經有理論認為由於水星以內沒有行星是因為在這一區域內沒有星子（10到100千米）形成。這一理論則是提出了另一種假設，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域會發生什麼？作者用小天體會被原初太陽的星風吹遠這一理論來回答了這個問題。總之，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，當我們更好的理解這一現象後，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