水星是太陽系中距離太陽最近的一顆行星,半徑只有2400公裡左右,甚至還沒有一些氣態行星的衛星體積大,在太陽系的行星中屬於「小不點」。在我們的印象中,如果一個星體距離一個大質量的天體(比如恆星或者黑洞)時,就會由於巨大的引力作用而被吸引進去,那麼為何水星距離太陽最近,在這麼長的時間內沒有被太陽吞噬呢?
如果我們從萬有引力的公式可以看出,兩個星體之間的引力大小,與二者的質量乘積成正比,與它們之間的距離平方成反比。因此,太陽對行星的引力大小,應該是這顆行星的質量越大,其相互之間的引力值也會越大,水星質量那麼小,相應的在同等距離條件下受到的太陽引力也會小很多,因此這不能成為能否被太陽吸引過去的理由。
在一個恆星系統中,無論是恆星還是行星,它們的誕生都來源於上一任大質量恆星完成超新星爆發之後,所釋放的巨量星際氣體和塵埃等物質。在引力擾動的影響下,這些星際物質逐漸發生聚集和坍縮,在坍縮過程中,重力勢能的轉化以及星際物質的碰撞和摩擦,推動著核心區域的溫度逐漸升高,當核心區的物質積累達到一定程度之後,核心區的溫度和壓強也逐步提升,那些聚集來的星際氣體就會發生電離,形成濃密的自由原子和電子組成的等離子體,當溫度達到1000多萬攝氏度以後,在量子隧穿效應的作用下,核心區便激發出了氫核聚變反應,恆星就此產生。
而恆星周圍那些尚未被吸收的星際物質,則繼續圍繞著若干核心開始聚集,並逐漸繼承了原先具有的角動量,使得後來形成的行星以一定的速度圍繞著恆星公轉。通常情況下,在距離恆星越近的區域,由於重力勢能轉化為內能的程度越高,坍縮劇烈程度也比外圍高,星際物質的分布密度也越大,因此角動量的總和也會比外圍高,越靠近恆星,其角動量越大,最後所聚合形成的行星繼承的角動量也越多,從某種意義上來說造成了圍繞恆星公轉的速度也越快。說得再徹底一點,行星在形成之前,那些轉動速度不夠、角動量不足的星際物質,都被恆星所吞噬吸收了,留下來的高角動量星際物質奠定了行星形成的物質基礎,也推動了行星公轉速度隨著距離恆星越近,其數值就越大這種局面的產生。
太陽及太陽系中的各個行星,都遵循著上述這個「通用」的過程。水星之所以沒有被太陽吞噬,關鍵還在於其繼承的那些星際物質角動量,使其具有了非常高的公轉速度。從理論上來分析,我們可以這麼看待這個問題。按照愛因斯坦的廣義相對論,凡是有質量的物體,都會對周圍的時空產生彎曲,其它物體在經過這個彎曲的時空時,就會沿著測地線的方向向著引力源中心「墜落」,星體質量越大,時空的彎曲程度就越高,其它物體墜落的趨勢就越明顯,這也是用廣義相對論解釋引力產生的簡易理解。
在此條件下,如果其它物體的運動速度很快,沿著大質量星體造成的測地線進行運動時,就有一定的機率逃脫這種因時空彎曲而產生的「引力漩渦」,這時的速度就稱為這個星體的逃逸速度,而速度值的大小與物體的質量沒有任何關係,僅與物體的切向線速度有關。在天體力學中,將能夠圍繞這個天體運行的最低速度稱為這個星體的第一宇宙速度,其計算公式為V1=(G*M/r)^(1/2),其中G為萬有引力常數,M為星體的質量,r為物體與星體質心的距離。而能夠逃離引力束縛的最低速度稱為這個星體的第二宇宙速度,其計算依據是物體在該速度之下的最低動能,應該能克服物體的重力勢能,也就是說E動=1/2m*V2^2=E重=G*M*m/r,進而可以求出第二宇宙速度值為(2GM/r)^(1/2)。從上述第一和第二宇宙速度可以看出,任何星體,其第二宇宙速度與第一宇宙速度的比值均為1.44(根號2)。
通過上面的公式,我們可以計算出在水星的軌道處,只要公轉速度值大於太陽的第一宇宙速度而小於第二宇宙速度,就能保證其環繞著太陽運行。實際上,水星目前的平均公轉線速度為47.89公裡/秒,正好處於這個區間之內。這種計算過程,實際上是一種對水星能夠圍繞太陽運行的一種驗證,是一種理論上的推導,在太陽系形成過程中,包括水星的各大行星,在其形成過程中所繼承的星際物質的角動量,實際上產生的公轉線速度,也都是在與太陽的不同距離之間博弈的結果,角動量大點,就遠離太陽一些,角動量小點,就靠近太陽一些,最終在漫長的歲月中漸漸達到平衡的狀態。
我們從上面的分析,知道了為什麼水星沒有被太陽吞噬的原因,但是實際上,宇宙空間並非完全的真空,行星在圍繞恆星運行的過程中,勢必會受到非常非常微弱的阻力,從而使得行星的公轉速度逐漸變緩,從而在恆星引力作用下產生軌道衰減,慢慢地在螺旋狀態下靠近恆星,最終有很大的機率會撞向太陽,不過這個過程又非常緩慢,甚至有的行星螺旋「跌落」的時間可能會超過恆星的壽命,而距離太陽最近的水星,則有可能在十幾億年之後,在軌道衰減的作用下被太陽吞噬掉,當然這裡面還有太陽逐漸演化紅巨星體積膨脹的因素共同導致。