太阳系原行星盘中存有一个神秘空隙

太阳系原行星盘中存有一个神秘空隙

据cnBeta：外媒报道，宇宙边界，或许是由年轻的木星或新兴的风造成，它很可能塑造了新生行星的组成。

在早期的太阳系中，一个由尘埃和气体组成的“原行星盘”围绕着太阳旋转并最终凝聚成我们今天所知的行星。

麻省理工学院(MIT)和其他地方的科学家对古代陨石的一项新分析表明，约在45.67亿年前，在小行星带今日所处的位置附近，这个圆盘中存在着一个神秘缺口。

该团队成果于2021年10月15日发表在《Science Advances》上，为这个缺口提供了直接证据。

“在过去的十年里，观察结果表明，空洞、空隙和环在其他年轻恒星周围的盘中非常常见，”麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)EAPS的行星科学教授Benjamin Weiss说道，“这些都是气体和尘埃转变为年轻太阳和行星的物理过程的重要但不为人知的标志。

”

同样，在我们自己的太阳系中出现这种缺口的原因仍是一个谜。

一种可能性是，木星可能是一种影响。

当这个气体巨头成形时，它巨大的引力可能将气体和尘埃推向外围并在发展中的圆盘上留下了一个缺口。

另一种解释可能跟从圆盘表面出现的风有关。

早期的行星系统受强磁场的支配。

当这些磁场跟旋转的气体和尘埃盘相互作用时，它们可以产生强大的风，这足以将物质吹出去并在盘中留下一个缺口。

无论其起源如何，早期太阳系中的缝隙很可能是一个宇宙边界，使其两侧的物质无法相互作用。

这种物理分离可能塑造了太阳系行星的组成。

像在缝隙的内侧，气体和尘埃凝聚成陆地行星--包括地球和火星，而被归入缝隙较远一侧的气体和尘埃则在较冷的地区形成，像木星及其邻近的气体巨行星。

“穿越这个缺口相当困难，一颗行星需要大量的外部扭矩和动力，”论文的主要作者和EAPS的研究生Cauê Borlina说道，“因此，这提供了证据，它表明我们的行星的形成被限制在早期太阳系的特定区域。

”

Weiss和Borlina的共同作者包括MIT的Eduardo Lima、Nilanjan Chatterjee和Elias Mansbach、牛津大学的James Bryson以及清华大学的Xue-Ning Bai。

空间的分裂

在过去的十年时间里，科学家们观察到了进入地球的陨石成分中的一种奇怪的分裂。

这些太空岩石最初在太阳系形成的不同时间和地点形成。

那些已经被分析过的陨石表现出两种同位素组合中的一种。

很少有陨石被发现同时表现出两种同位素--一个被称为“同位素二分法”的难题。

科学家们提出，这种二分法可能是早期太阳系圆盘中的一个缺口造成，但这种缺口还没有得到直接证实。

Weiss的研究小组则通过对陨石的分析希望以此找到古代磁场的迹象。

当一个年轻的行星系统成形时，它携带着一个磁场，其强度和方向可以根据不断演变的盘内的各种过程而改变。

当古代尘埃聚集成被称为软骨颗粒的时候，软骨颗粒内的电子跟它们形成的磁场相一致。

软骨颗粒可以比人类头发的直径还要小，并且在今天的陨石中被发现。

Weiss的小组专门测量软骨颗粒从而确定它们最初形成的古代磁场。

在以往的工作中，该小组分析了两个同位素组的陨石中的一个样本--被称为非碳质陨石。

这些岩石被认为起源于一个“容器”或早期太阳系中相对靠近太阳的区域。

Weiss的研究小组之前在这个靠近太阳的区域的样本中发现了古代磁场。

陨石的错配

研究人员在他们的新研究中想知道磁场是否会在第二组同位素的“碳质”陨石中出现，从它们的同位素组成来看，它们被认为起源于太阳系的更远处。

他们分析了在南极洲发现的两块碳质陨石的软骨颗粒，每块的尺寸约为100微米。

通过使用超导量子干涉装置即SQUID--Weiss实验室里的一台高精度显微镜，研究小组确定了每个软骨颗粒的原始、古代磁场。

令人惊讶的是，他们发现它们的磁场强度比他们之前测量的更接近非碳质陨石的磁场强度要强。

由于年轻的行星系统正在形成，科学家们预计，磁场的强度应该随着跟太阳的距离而衰减。

相比之下，Borlina和他的同事们发现远处的软骨矿有一个更强的磁场，约是100微特斯拉，而在较近的软骨矿中，磁场是50微特斯拉。

作为参考，今天地球的磁场约为50微特斯拉。

一个行星系统的磁场是衡量其吸积率的一个标准，或是说它能在一段时间内把气体和尘埃吸到其中心的数量。

根据碳质软骨柱的磁场，太阳系的外部区域一定比内部区域增加了很多质量。

通过使用模型模拟各种情况，研究小组得出结论--对吸积率不匹配的最可能的解释是在内部和外部区域之间存在一个缺口，这可能减少了从外部区域流向太阳的气体和灰尘的数量。

Borlina说道：“间隙在原行星系统中非常常见，我们现在（研究）表明在我们自己的太阳系中也有一个。

这给出了我们在陨石中看到的这种奇怪的二分法的答案，并还提供了差距影响行星组成的证据。

”

引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？

核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。

既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。

首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。

火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。

不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。

乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。

然而事实并非如此。

地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。

当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。

要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。

而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。

那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。

这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。

而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。

每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。

从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。

换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。

这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。

听起来匪夷所思，但事实确实如此。

而事情还可以变得更加违反直觉。

由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。

以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。

这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。

原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。

相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。

正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。

因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。

这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。

不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。

至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。

它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。

借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。

不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。

在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。

听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。

问题的关键在于能量守恒。

当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。

一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。

相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。

行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。

所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。

理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。

一光年有多远？人类探测器飞了50年，才飞了一光天？

一光年到底有多远？为什么人类的探测器飞了快五十年，却连这段路的百分之一都没走完？ 更扎心的是，就算你真的飞到一光年外，也还没到最近的另一颗恒星。

你甚至可能还在太阳系外围，连这片家门口的荒地，都没有彻底穿过去。

你肯定听过答案：一光年，大约九万四千六百亿公里。

可这个数字太大了。

多念一个零，少念一个零，对你的感觉几乎没有区别。

所以这一次，我们换一把尺子。

把太阳缩成一颗直径两点五厘米的玻璃球，放在你面前。

地球跟着缩小，只剩一粒细沙那么大。

你把它放到距离玻璃球两米七的位置，地球轨道就摆好了。

接下来往外走。

走过木星、土星，一直走到八十多米外，你终于放下海王星。

整个八大行星的地盘，看起来也就一个足球场的尺度。

那么，一光年的刻度，应该放在哪里？球场外面？隔壁街道？还是城市另一头？ 都不够。

你得从这颗玻璃球出发，走出去大约一百七十公里。

记住，地球才在两米七外。

海王星才在八十多米外。

而你现在要跨过的，是一段足以连接两座城市的距离。

沿途绝大多数地方，连一颗行星都没有。

你以前看到的太阳系示意图，把行星挤得整整齐齐，却很难让你真正感受到，它们之间到底空成什么样。

如果把人类的探测器，也放进这套模型呢？ 旅行者一号，一九七七年出发，掠过木星和土星，一路飞向太阳风影响之外。

它每秒能飞十七公里。

你眨一下眼，它就已经越过一座城市的一部分。

可持续飞行近半个世纪，它在这套模型里，也不过走到距离玻璃球几百米的地方。

前面那条通往一光年的路，依然长得几乎看不到尽头。

按每秒十七公里算，飞完一光年，需要大约一万七千六百年。

你出发时留下的城市，可能已经消失。

你说的语言，可能早就没人听得懂。

而飞船，还在赶路。

你可能觉得，这不公平。

旅行者一号毕竟是几十年前的技术。

换一台快得多的探测器，总能把时间压下来吧？ 帕克太阳探测器，在最接近太阳时，速度能达到每小时约六十九万公里。

假设它能一直保持这样的速度，飞完一光年，仍然需要一千五百多年。

而且，这已经是一个过于理想的假设。

帕克的极速，来自它沿轨道冲向太阳时的加速。

离开太阳之后，它会减速。

那个惊人的纪录，不能直接变成一张通往恒星的车票。

不过，先让我们跳过这些困难。

假设未来的你，终于抵达一光年外，在那里建起了一座太空站。

你回头看，太阳还看得见吗？ 看得见。

它不会彻底淹没在星海里，仍然会是一颗非常明亮的星。

但你熟悉的金色圆盘消失了，剩下的，只是一个指向家的光点。

抵达这里的阳光，比地球附近微弱了约四十亿倍。

能看见它，不代表还能靠它照亮身边的世界。

就像远处一盏灯，你知道它亮着，脚下却依旧一片漆黑。

至于地球，那颗你想念的蓝色星球，肉眼已经根本找不到。

它自己不会发出可见光，只能反射太阳的光。

那一点微弱的亮度，几乎淹没在太阳旁边。

更让人难受的是，就算设备足够好，让你看清了家乡，你看到的，也是一年前的地球。

因为光从那里来到你的眼睛，已经走了整整一年。

这时候，你想给家里发一条消息。

今天是家人的三十岁生日。

你对着镜头说出生日快乐，按下发送。

消息离开天线，穿过黑暗，等它抵达地球，那个人已经三十一岁了。

对方看完，立刻回复一句谢谢。

你再收到这两个字时，又过去一年。

一来一回，两年。

这里最奢侈的东西，可能就是一次普通的聊天。

你问家里今天怎么样，等到回答抵达，那个今天，早就变成了两年前。

你换更好的天线，能让画面更清楚，声音更清晰，却不能把这一年变成一秒。

无线电和激光，在真空中都以光速传播。

设备可以升级，距离带来的等待，却不会自动消失。

如果太空站突然出了故障呢？你向地球求救，就算那边的人收到后立刻想出解决办法，操作指令也要等两年，才能回到你手里。

真正走进星际空间，你得先学会自己解决问题。

因为在这里，连一句别着急，都可能来不及。

可一光年外，到底有什么在等你？ 没有一堵墙，没有一条天然边界，也没有一颗刚好停在那里、等你登陆的星球。

这只是人类在宇宙里画下的一道刻度。

我们认为，远离行星轨道的地方，还分布着奥尔特云中的冰冷天体。

它的范围仍有不确定性。

一光年的终点，甚至可能还没有超出这片遥远的区域。

穿过太阳风形成的边界，和离开所有绕太阳运行的天体，并不是同一件事。

而最近的另一颗恒星，比邻星，距离我们约四点二四光年。

你费尽力气走完这一光年，连去它那里的四分之一路程，都还没走到。

所以，下次再听见一光年，不妨想想那颗玻璃球。

地球在两米七外，你站在一百七十公里外。

脚下没有路灯，没有补给，也没有能立刻回答你的人。

而这段让人类飞上一万多年、让一句问候往返两年的距离，在宇宙里，却只是尺子上最开始的一个刻度。