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行星定义

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1989年航海家2号飞越时拍摄的眉月形海王星(顶端)和它的卫星崔顿(中间)。
1989年航海家2号飞越时拍摄的眉月海王星(顶端)和它的卫星崔顿(中间)。

行星定义直到2006年8月24日才有了一个比较明确且可以被接受的文字叙述。在这之前,尽管行星一词已经被使用了数千年,但令人惊讶的是,科学界始终没有给过行星明确的定义。进入21世纪后,行星的认定成为一个备受争议的主题,这才迫使天文学界不得不为行星做出定义。

数千年来,“行星”一词只被用在太阳系内。当时天文学家尚未在太阳系以外发现任何行星。但从1992年起,人类陆续发现了许多比海王星更遥远的小天体,而且其中也不乏与冥王星大小相当者,这使得有资格成为行星的天体由原有的9颗增加至数打之多。1995年,科学家发现了第一个太阳系外行星飞马座51b。之后,陆续发现的太阳系外行星已经有数百颗之多。这些新发现不仅增加了潜在行星的数量,且由于这些行星具有迥异的性质──有些大小足以成为恒星,有些又比我们的月球还小──使得长久以来模糊不清的行星概念,越来越有明确定义的必要性。

2005年,一颗外海王星天体阋神星(当时编号为2003 UB313)的发现,使得对行星做明确定义的必要性升至顶点,因为它的质量冥王星(在当时是已被定义为行星的天体中最小者)还要大。国际天文学联合会(IAU),由各国的天文学家组成负责为天体命名与分类的组织,在2006年对此问题做出了回应,发布了行星的定义。依据这最新的定义,行星是环绕太阳恒星)运行的天体,它们有足够大的质量使自身因为重力而成为圆球体,并且能清除邻近的小天体。未能清除轨道内小天体的则被纳入一个新创的分类,称做矮行星。除了以上两类,其他围绕太阳运行的天体则被称为“太阳系小天体”。

按照以上定义,太阳系有八个行星:水星金星地球火星木星土星天王星海王星,而冥王星被排除在外。至2007年7月为止,已获承认的矮行星则有冥王星、谷神星和阋神星,2008年7月才增加了第四颗鸟神星,又于同年9月增加了第五颗妊神星。但国际天文学联合会的这项决议并无法弭平所有争议,部分天文学家拒绝承认此一决议。

历史

古代的行星定义:星座间穿行

公元前4世纪周朝时的石申、甘德最早制作浑天仪。图为清代浑天仪,1903年制作,沿袭了中国古代的星名和星座划分,并在黄道二十八宿上标明七曜的运行轨迹。
公元前4世纪周朝时的石申甘德最早制作浑天仪。图为清代浑天仪,1903年制作,沿袭了中国古代的星名和星座划分,并在黄道二十八宿上标明七曜的运行轨迹。

对行星的认识可以追溯至历史的早期,并且是多数文明的共识。行星这两个汉字十分清晰地表明了行星的最主要的特征:在二十八宿(中国文化中的黄道星座)中穿行,与之相对的恒星一词,则是固定在二十八宿和三垣中恒定不动的。中国古代的行星包括七颗,分别是太阳和太阴(月球),以及金木水火土五行星,因此早期的行星也被称为七曜,曜表明它们的另一个特点——极为明亮,全天成千上万颗星体中,七颗行星亮度排行分别为第1,2,3,4,5,6,9。七曜和五行(金木水火土五颗行星)两种行星说法中,五行的记载更久远,根据西汉《史记、历书》记载“黄帝考定星历,建立五行,起消息(通过观天象,修正历法,订出正月起始)”。据此,中国的五行星如果由黄帝建立,将远早于古希腊

行星这个名词的西方名称可以追溯到古希腊。大多数希腊人相信地球是静止不动的,而按照地心说地球位在宇宙的中心,而天空本身是围绕著地球在运转(一个例外是西蒙的阿里斯塔克斯,它最早提出了地动说的版本。)。希腊天文学家使用asteres planetai(ἀστέρες πλανῆται)、"漫游之星" [1][2],来描述那些年复一年在恒星之间徘回的行星,以asteres aplaneis(ἀστέρες ἀπλανεῖς)对比于只是静静固定不动的恒星(fixed stars)。目前所谓的行星,有五颗是希腊人已经用肉眼看见的天体:水星金星火星木星土星

五颗行星和七颗行星的争议

与中国的五行与七曜并立相似,西方也存在七颗行星和五颗行星的争议。希腊-罗马的宇宙观认为天上有七颗行星,将太阳和月球也算在其中(以现代占星学为例);然而,关于这一点还有模糊不清之处,很多古代的天文学家会将太阳和月球与五颗星状的行星区分开。19世纪的德国博物学家亚历山大·冯·洪堡在他的著作《宇宙》就点出了这个观点:

在宇宙中有七颗天体,通过不断地改变与众星的相对位置和彼此间的距离,自远古以来就被与恒星区隔开来,不在遥远天空不动的同心球体上。对所有在同心球体上保持不变的位置与距离的恒星展现其感性,其中的五颗-水星、金星、火星、木星和土星,有著恒星的外观,"五颗徘回的星体"-太阳和月球则呈现著盘状和大小,它们对人类很重要,并且在神话系统中被和占有不同的地位[3]

在日心说被接受之前对行星的认知。
日心说被接受之前对行星的认知。

在提麦欧斯,大约是柏拉图在西元前360年所写的,提到:太阳、月球和其他五颗天体被称为行星[4]。他的学生亚里斯多德在他的在天上这本书中也做了相同的论述:太阳和月球的运动相较于一些行星是更少数的[5]。哲学家欧多克麦斯大约在西元前350年有关天文的一套诗篇著作Phaenomena[6],提到诗人阿拉托斯描述:这五颗不同的球,它们混入星座之中,在黄道十二宫的每一侧像车轮般的到处游荡著[7]

天文学大成托勒密在西元二世纪的著作就提出:太阳、月球和五颗行星[8]许癸努斯明确提到:希腊人称为"Planeta"的,就是所谓的"漫游之星"[9]马库斯·曼尼里乌斯,一位奥古斯都时代的拉丁作家,在他的诗Astronomica,被认为是现代占星学所本之著作说:现在第十层天分五个部分,它们在天上来来往往与照耀著,许多人都称它们是"漫游者"[10]

唯一发现提到七颗行星的是西塞罗在西元前53年左右写的大西庇阿的梦想中歌颂:七个这样的球含著行星,每个球中有一颗行星,它们都在天上运动著[11]。在西元77年的自然史中提到:老普林尼指那七颗有著自己会的运动的我们称之为行星,没有其他的星星像它们那样的游荡[12]。第5世纪的希腊诗人诺努斯,在他的史诗《狄奥尼西卡》(Dionysiaca)提到:我有历史上的七片神谕,神谕中有七颗行星的名字[9]

约翰·高尔
约翰·高尔

中世纪和文艺复兴时期的作家普遍接受七颗行星的想法。标准的中世纪天文学介绍,赛科诺伯斯克(Sacrobosco)的De Sphaera,将太阳和月球都视为行星[13];更先进的天体理论提出了"七颗行星理论"[14],虽然阿方索星表(Alfonsine Tables)说明如何去发现太阳、月球和其他行星的平均位置(motuses?)[15]。在14世纪的诗人约翰··高尔在Confessio Amantis中的行星,技巧的连结到炼金术,他写道:"Of the planetes ben begonne/The gold is tilted to the Sonne/The Mone of Selver hath his part...",表明太阳和月球是行星[16]。即使拒绝地心说模型的尼古拉斯·哥白尼,对于太阳和月球是否是行星,其说法也是矛盾的。在他的天体运行论,哥白尼明确的区分了太阳、月球和行星[17],但是,在他给教皇保罗三世的题辞中却是"太阳、月球的运动……和其他五颗行星"[18]

地球

哥白尼。
哥白尼。

最终,当哥白尼的日心说模型被接受而取代地心说地球被与行星放在一起,而月球和太阳被重新归类,人们对行星的观念必须有所改革。作为科学史学家的汤姆士·库恩在他的书《科学结构的革命》中指出[19]

哥白尼否定了太阳是传统行星的标题……正在改变行星的意义,所以它将继续使世界上所有的天体做有用的区别……所有的天体正被以不同的方式从它们以前都见过的方式……看著月球,转换成哥白尼……说:我曾经看待月球是一颗行星,但是我错了。'

哥白尼在”天体运行论”不当的说”地球是一颗行星,是一种运动上假设的议题。我们在后面的章节中看见地球,在长期和认真的研究下,我终于发现了其它行星的运动和地球的轨道……”[17]伽利略也在关于两大世界体系的对话中也声明地球是一颗行星:地球,不小于月球或任何其它的行星,他是以圆形运动的自然天体中的成员之一[20]

现代的行星

威廉·赫歇尔,天王星的发现者。
威廉·赫歇尔,天王星的发现者。

在1781年,天文学家威廉·赫歇尔在天空中寻找难以捉摸的恒星视差,在金牛座发现了他所谓的彗星。不像恒星,但是在望远镜的高放大倍率下,这个天体看起来依然像是一个光点。赫歇尔并没有想到这个奇怪的天体可能是一颗行星;自古以来人类对宇宙观念的一部分就是地球之外只有五大行星。由于小行星尚未被发现,彗星是预期中在望远镜中找到,唯一会移动的天体[21]。然而,不像是颗彗星,这个天体的轨道是接近圆形,并且在黄道平面内。在赫歇尔宣布他发现了彗星之前,他的同事,英国皇家天文学家内维尔·马斯基林写信给他说:“我不知道该怎样称呼它。他很想一颗以接近圆形轨道环绕太阳运动的行星,如果是彗星,应该有非常高离心率的椭圆轨道,但我也还没有看见它有任何彗发或彗尾[22]。”若是彗星也太远了,远到无从分辨出来。最后,它被确认是第七颗行星,以土星的父亲之名,命名为天王星

观察到天王星轨道受到不规则的引力诱导,导致1846年推导出海王星的轨道并发现了海王星。(后来发现是由于天王星质量的不确定,纯粹是数学结构造成的)。起初估计冥王星的质量大约与地球相当,但逐渐退缩至仅有地球的五百分之一,因此它的引力不足以影响海王星的轨道[21]。在1989年,航海家2号确定不规则肇因于高估了海王星的质量[23]

卫星

伽利略。
伽利略。

当白尼将地球放置在行星的位阶时,它也将月球放置在绕地球转的轨道上,率先确定月球是天然卫星的位阶。当伽利略在1610年发现木星的伽利略卫星,它们强化了哥白尼的论点,因为如果其他的行星有卫星,地球然也能有卫星。但是,对这些天体是否是”行星”仍然有一些疑惑;伽利略称它们为”四颗行星在不同时间和时间间隔随同围绕的恒星一起疾速经过木星的精采过程[24]。同样的,克里斯蒂安·惠更斯在1655年发现土星最大的卫星泰坦,它也使用了许多不同的语汇来描述它,包括"planeta"(行星)、"Stella "(恒星)、"Luna"(月亮),和现代用的"satellite(卫星)"[25]卡西尼在宣布他在1671年和1672年发现土星的卫星IapetusRhea时,形容它们是环绕著土星的新行星[26]。然而,当"Journal de Scavans"这本杂志在1686年报导卡西尼发现两颗新的土星卫星时,已经明确的称它们是卫星[27]。当威廉·赫歇尔于1787年宣布他发现两颗轨道绕行天王星的天体时,他称它们为卫星次级行星[28]。发现天然卫星的后续报导,都使用satellite这个专有名词[29],例外的只有1868年的《史密斯的图说天文学(Smith's Illustrated Astronomy)》使用次级行星来称呼卫星[30]

小行星

朱塞普·皮亚齐,谷神星的发现者。
朱塞普·皮亚齐,谷神星的发现者。

赫歇尔意外发现的天王星似乎确认了波德定律,一个关于行星轨道半径分布的数学函数。虽然天文学家认为这只是无意中的巧合,但是天王星的位置与预测的数值非常接近。由于这个定律也预测在火星与木星之间有未被观察到的天体,于是有些天文学家将注意力转移至这个区域,希望能发现新的行星。终于,在1801年,天文学家朱塞普·皮亚齐发现一个崭新的世界,谷神星被发现了,它正好位在预测的空间上。当时它被认为是一颗新的行星[31]

然后,在1802年,奥伯斯发现了智神星,这是与谷神星到太阳的距离几乎相同的第二颗行星。但两颗行星在同一个轨道上的想法有违数世纪来的行星概念,是不被认同的,连莎士比亚都曾经嘲讽(两颗行星不会在同一个球壳上运动)这种想法[32]。即便如此,在1804年,另一个世界,婚神星也在相似的轨道上被发现[31],1807年,奥伯斯又发现了第四颗相似的天体,灶神星。而往后的数十年中,更多的天体在这个区域内被发现,它们与太阳的距离也都几乎一样。

因此,天文学家赫歇尔建议将这四颗分出一类新的天体:小星asteroids,意思是“类似星星”,因为这一类星体都很小,看起来像恒星而看不出像行星的盘面),不过当时多数的天文学家还是喜欢将他们称为行星[31]。由于区分星图上未标示的未知星星是小行星,是很困难的,因此直到1845年已知的小行星还是只有这四颗[33][34]。赫歇尔的提议并未被广泛接受,在他过世的1828年,科学课本中仍然称这些小天体为行星[31]。随著更精致的星图问世,卡尔·路德维希·亨克在1845年和1847年发现第五颗和第六颗小行星[34]。迄1851年,小行星的数量已经增加为15颗,于是新的命名法应运而生,就是在名称前面依照发现的先后次序加上序号,而在无意间已将他们归入了新的类别。榖神星成为(1)谷神星、智神星成为(2)智神星,依此类推。到了1860年代,已知小行星的数量增加到百颗以上,欧洲和美国的天文台开始统称它们为小行星。话虽如此,从最初的四颗开始,还是花了漫长的时间才确定了这样的分类[31]。到今天,小行星依然由官方认定是轨道环绕太阳运行的小天体,每一颗新发现的小行星都由国际天文学联合会登录在小行星目录并赋予编号[35][36]

冥王星

克莱德·汤博,冥王星的发现者。
克莱德·汤博,冥王星的发现者。

谷神星从行星经过漫长的覆议路程才成为矮行星,但是反观发现冥王星的故事,在1930年由克莱德·汤博发现后,不久就被评定为一颗行星。天王星和海王星被宣告为行星是基于它巨大的质量和接近黄道平面,且几乎是圆形的轨道。但这些都不适用于冥王星,它是在气体巨行星区域内,轨道不仅对黄道面有著很大的倾斜,还会进入海王星的内侧,并且还是一颗微不足道的冰雪世界。在1978年,天文学家发现冥王星有一颗巨大的卫星,查隆,使他们能够确认冥王星的质量。发现它的质量比预期的小很多,只有地球的卫星,月球质量的六分之一。然而,长久以来其距离的遥远,却是独一无二的。然后,从1992年开始,天文学家开始在海王星轨道之外检测到许多冰状的小天体,其大小、成分和轨道特性,都与冥王星相似。天文学家的结论是发现了假设的古柏带(有时会称为埃奇沃斯-古柏带),是短周期彗星-周期短于200年的彗星-来源的冰冻碎片带[37]

冥王星的轨道在这个区域内,因此它的行星地位受到质疑。许多科学家得出结论,认为冥王星应该像一个世纪前的谷神星一样,只是一颗小行星。加州理工学院米高·E·布朗建议重新定义行星的同时,还应该为太阳系内所有在相似轨道上,质量大于冥王星的所有小天体建立新的分类[38],所有质量在此规模之下的才是小行星。在1999年,哈佛大学小行星中心布莱恩·马斯登建议赋予冥王星10,000号的小行星序号,同时仍然保留其为行星的官方分[39][40]。期望冥王星“降级”引发公众强烈的抗议,国际天文学联合会回应并澄清当时还不是将冥王星降级,从行星名单中移除的时机[41][42]

米高·E·布朗,阋神星的发现者。
米高·E·布朗,阋神星的发现者。

其他几颗大小接近冥王星的海王星外天体陆续被发现,像是(50000)Quaoar(90377)塞德娜,继续侵蚀冥王星是行星的论点,只是相较于其他的海王星外天体比较独特。在2005年7月29日,布朗的团队发现了一颗确认比冥王星更大的海王星外天体[43],后来被命名为(136199)阋神星[44]

这颗天体的发现,随即有许多讨论是否是第十行星的言论。NASA甚至还一度删除相关描述言论的电子报[45]。然而,接受阋神星是第十颗行星,无疑就是含蓄地承认冥王星是设置最小行星,随心所欲的定义。许多天文学家声称行星的定义在科学上没有甚么重要性,愿意认同冥王星在历史上是行星的地位,而不溯及既往[46]

IAU的定义

最大的古柏带天体与地球的比较。
最大的古柏带天体与地球的比较。

国际天文联合会的辩论

2003 UB313、查龙、和谷神星,是根据草案被提交的三颗新行星,但最后的提案从行星族群中排除了他们。
2003 UB313、查龙、和谷神星,是根据草案被提交的三颗新行星,但最后的提案从行星族群中排除了他们。

2003 UB313的发现迫使国际天文联合会必须正视这个问题。在2005年10月,IAU第19工作小组的成员经由投票,将可能的行星定义缩减成三条简短的文字,做为建议案提出。这些定义如下:

  • 行星是直径大于2,000公里,在轨道上环绕太阳的任何天体。(11票赞成)
  • 行星是任何外形已经在重力作用下稳定,并且环绕太阳运转的天体。(8票赞成)
  • 行星是在环绕太阳的轨道上,能统治邻近范围内天体的任何天体。(6票赞成)[47][48]因为没有达成整体一致的意见,委员会决定将这三个定义交由2006年8月在捷克布拉格举行的IAU会员大会来表决,[49]并且在2006年8月24日,作为大会最后的议题来投票。IAU结合了这三条可能的定义做成了两个提案,作为大会最后的投票案。这个提案在“行星”和“岩石”(或是太阳系小天体)之间创造了一个被称为矮行星的新分类,并将冥王星列名于其中,似乎是要将小行星这个分类给废弃掉。[50][51]虽然只有474位天文学家在最后参与了投票,这个议案还是被通过了。

艰难的选择

行星判别式[52]
天体 相对地球
质量(ME
清空轨道
的能力Λ*
清空轨道
的程度µ**
水星 0.055 1.95 × 103 9.1 × 104
金星 0.815 1.66 × 105 1.35 × 106
地球 1 1.53 × 105 1.7 × 106
火星 0.107 9.42 × 102 1.8 × 105
谷神星 0.000 15 8.32 × 10−4 0.33
木星 317.7 1.30 × 109 6.25 × 105
土星 95.2 4.68 × 107 1.9 × 105
天王星 14.5 3.85 × 105 2.9 × 104
海王星 17.1 2.73 × 105 2.4 × 104
冥王星 0.002 2 2.95 × 10−3 0.077
妊神星 0.000 67 2.68 × 10–4 0.02
鸟神星 0.000 67 2.22 × 10–4 0.02[53]
阋神星 0.002 8 2.13 × 10−3 0.10
塞德娜 0.000 22 3.64 × 10−7 <0.07[54]
*Λ = k M2 a−3/2正比于质量2、反比于轨道周期。Λ > 1为行星[55]

**µ = M/m为与轨道区域其它天体总质量之比。µ > 100为行星

行星具有强烈的文化意味,从希腊神话占星术,都与行星紧密挂钩,特别是大量的现代魔幻故事,广泛地采纳了九大行星的概念。对它作出任何更改都会触动公众敏感的神经。但是依照新获得的天文学发现,存在比冥王星稍大和稍小的一系列潜在行星。九大行星的概念已经无法继续维持,行星是天文学概念,必须有一个理性而且可以长期推广的定义,即必须在行星和非行星的绕日天体之间划一道界限。从科学上看,可操作而且与行星特征相符的界限包括了“流体静力平衡”和“清除邻近区域”两个。

如果按照“流体静力平衡”划界,冥王星的地位得以保持,同时阋神星、谷神星也将成为行星,这正是最初准备采纳的行星定义方案。但是,按照这种定义,大量的星体,当时估计至少50个,将成为行星,而这些行星孤寂而渺小(都比月球小,包括冥王星),甚至多数天文学家都将无法把它们一一背诵列举出来,这无疑极大地冲淡行星的文化意味;[56]而且从科学意义上来说,它们分属三个相似性较高的星体家族,与八大行星各自个性分明形成巨大反差;此外“流体静力平衡”也并不是一条准确易操作的分界,存在较难以分辨的中间灰色地带(详见下节)。

如果按照“清除邻近区域”划界,冥王星将不再是行星,八大行星的概念将成为难以撼动的长期称谓。事实上,从科学定义来看,“邻近”并不是一个准确的概念,因此需要给这个划界增加繁琐的附加说明,最后的划界虽然清晰(见右表),却难保简洁,因此并不能算一个无懈可击的科学定义。不过从划分结果来看,却有着多个优点:①从质量排名来看,八大行星是太阳系仅次于太阳的质量最大的八颗星体(第2到第9),第10到第16是包括月球的七颗大卫星,第17、18才是阋神星和冥王星,显然八大行星都是太阳系的绝对主体;②八大行星的运行轨迹都非常规则,都大致在同一个轨道平面上,近似形成一组同心圆,原有的例外冥王星被排除。这恢复了过去人们对行星轨道的完美印象,曾出现的瑕疵(扁长而歪斜的冥王星轨道)被剔除。反之,如果加入50颗新行星,新的行星轨道将互相混杂穿插;③八大行星各自都非常独特,无论是轨道、气候、地质等等,一般的天文爱好者都能从图片中轻易识别;而矮行星属于共用轨道的天体群,质量太小而无明显的大气和地质变化,因此同类型星体互相相似、难以简易识别;④八大行星有着广泛而深远的文化意味,较矮行星深入人心,尽管冥王星缺席,毕竟冥王星只有七十年的文化积淀,而金木水火土五行星已经有着数千年的观测史,而近代列入行星的天地海从文化上代表了空间的三界。

最终,经过激烈的争论,天文学家们作出了不得已的选择。这一选择从某种程度来说,是科学对文化的妥协:为了捍卫行星在人们心目中的地位,不让众多“滥竽充数”者混入行星家族,不得不把冥王星排除出去。即使是阋神星的发现者,迈克尔·E·布朗,因为新行星定义失去了“数十颗行星的发现者”的光环,仍然出于科学的严谨和对行星这个古老名称的尊重,对新行星定义持支持态度,并不遗余力地向公众介绍这一定义的必要性。[56][57]

留下的争论

尽管定义已经被正式的认可,有些问题还是未能解决。定义看似随意撰写和纠缠不清,并且许多“支持冥王星是行星”的拥护者,包括NASA前往冥王星的探测新视野号任务的主持人艾伦·史腾(Alan Stern),串连了一批天文学家提出修改定义的请愿。他们的主要论点是:因为只有不到5%的天文学家投票支持新的定义,所以此一决定不足以代表全体天文学家的意见。[58]而即使排除了此一争议,定义之中仍然有含糊不清之处。

“清除邻近区域”

“清除邻近区域”(Clearing the neighbourhood)是指这颗星体是它的轨道里最大的那颗星体,而这颗星体要有足够的质量把它轨道里的其他星体清除,这就好像在一片铺平的铁屑之中,用一块磁铁沿一直线扫过这片地带。这块磁铁会沿路吸取更多的铁屑而变得越来越大。我们太阳系中的巨大气体行星就是这样形成的:巨大的引力使它周围的星体都纷纷撞到它的表面上。

但是部分科学家认为“清除邻近区域”一词本身的含意就不是相当明确,艾伦·史腾反对并认为不可能在行星和矮行星之间划下一条明确的界线,因为不仅地球、火星、木星,即使海王星也未能完全清除在他们附近的碎片,在IAU的定义下没有一个天体可以成为行星。[59]他在新近出版的著作中,对此提出了抗辩,他写道:“我们定义了überplanet,是一种像行星一样环绕著恒星的天体,在动力学上的重要性是足以清除邻近区域的微星体,……并且我们也定义了unterplanet,是不能如此做的天体...”在之后,还有一些短评:“我们的太阳系明显的有8颗überplanets和为数众多的unterplanets,其中最大的是冥王星和谷神星。”[55]

在他的文章主题上,史蒂芬·索特给了一个定义,实际上,这是麦克・布朗以质量为主要依据的定义: 如果一个天体的质量百倍于轨道带上剩馀的质量,他便是一颗行星。如果两颗天体与恒星有相同的距离,或是为首的这颗与另一颗的轨道周期差异少于一个数量级,这两颗天体就是共享一个轨道带。换言之,如果两个天体与恒星有相同的距离,各自在轨道的一个点上,这两者的轨道是相似的,即使彗星也是,距离数倍于另一个天体,都能算是在相同的轨道带上。[60]

假设这样的邻近区域的定义最终被IAU接受了,他仍然不是明确的观念(定义)。他未从构造和成因来定义行星,只是在位置(地点)上给了有效的定义。因此,在这个定义下,冥王星,甚至在单独轨道上更小的天体,都可以称为行星;而更大的,但靠近另一个天体,却将被归类为矮行星

流体静力平衡

小行星(4)灶神星在广义上的说法是一颗不规则的球体
小行星(4)灶神星在广义上的说法是一颗不规则的球体

国际天文联会(IAU)的行星定义要求行星有足够的质量能以自身的重力达到流体静力平衡的状态,这意味著她们的形状要成为球形,如果不是,也要成为类球形。这种分别,与严格的球体相对,是基于太阳系内许多大天体的实情,像是木星土星米玛斯恩克拉多斯米兰达古柏带天体妊神星[61],已经因为快速的自转或潮汐力的作用变形成为扁球形或长球形的类球体。然而,要决定在太阳系中的天体哪些是球状的或类球状的,似乎比定义更复杂。以数学的说法,类球体是由绕轴旋转的椭圆来规范的,必然的会有两根一样长的轴和另一根长一些或短一些的轴,他们似乎是在一个维度上被扭曲的球体(通过舒展或挤压)。于是,从其中一个轴的方向看是圆形,但从另外二个轴的方向看则是椭圆形。

然而,所有的类球体都可能从某一个点看似有平滑的外观(形成圆或椭圆的截面)。对一个在地形学上被认定是不规则天体也可能只是估计的,可是,考虑这样的不规则性,就存在天体之间互相对比的定义了,像是这些在本质上是球体,但外观却是不规则的天体:海王星的卫星海卫八,他的边缘就没有显露出平滑的曲度。[62]

如果仅使用数学的论述来定义球体,那么这些在太阳系中明显因遭受到折磨,而介于球状和不规则之间的天体,就像下面的表中的天体,该如何归类:

天体 直径(公里) 质量(1019 kg) 密度(g/cm3* 形状
妊神星 ~1960×1520×1000 420±10 2.6–3.3 椭球体
谷神星 975×909 95 2.08 类球体
灶神星 578×560×478 27 3.4 类球体
智神星 570×525×500 22 2.8 不规则
土卫二 513.2×502.8×496.6 10.8 1.61 类球体
健神星 500×385×350 10 2.76 不规则
天卫五 480×468.4×465.8 6.59 1.20 类球体
海卫八 436×416×402 5.0 1.3 不规则
土卫一 414.8×394.4×381.4 3.84 1.17 类球体
戴维达星
511 Davida
326.1 3.6 2.0 不规则
英特利亚星
704 Interamnia
316.6 3.3 2.0? 不规则
海卫二 340 3.1 ? 不规则
婚神星 290×240×190 3.0 3.4 不规则

*天体的密度可以对他的构成给一个概略的指引:密度越低,冰的比例会越高,岩石的比例也越低。密度最高的一些天体,灶神星和婚神星几乎都是岩石,只有少量的冰,密度也与月球相近。密度低的天体,像海卫八与恩克拉多斯(土卫二),主要由冰组成。[63][64]

很显然的,没有明确的大小和质量能区分太阳系内的球体与不规则天体,不规则天体的智神星、健神星和普罗秋斯(海卫八),都比一些规则的天体还大,米兰达(天卫五)和米玛斯(土卫一)也一样。并且,在表中列出维度显示球体的范围相当宽松。由上述的模式,灶神星也是球体,虽然外观上不像,但由其中的一些定义它是的(参考上图)。然而,即使我们将样品局限在接近球体的范围内,重力也不是唯一能决定形状的因素。以冰为主的天体,像是恩克拉多斯(土卫二)和米兰达(天卫五),就比以岩石为主的,像是灶神星和智神星,更容易成为球形。来自重力崩溃、撞击潮汐力放射性衰变的热能,也会影响到天体能否成为球体。土星的卫星米玛斯是球体,但海王星更大的卫星普罗秋斯却不是球体,两者的成分虽然相似,但后者离太阳较远,位在温度较低的环境下。

要注意谷神星是球体,但是古柏带妊神星重了数倍,却是太阳系内已知最大的非球体天体,因为他被快速的自转拉成了椭球体。[61]木星土星也因为快速的自转成为扁圆形,米玛斯恩克拉多斯、和米兰达也都被潮汐力拉长成为类球体。

双行星

目前的定义已经具体的将卫星矮行星的分类中排除,没有直接定义卫星这个项目。在原始企划的草案中,对冥王星和他最大的卫星,凯伦,做了特例的处理,以质心是否在主体之内来区分。不仅要一个绕著另一个旋转,还要彼此的轨道向旋转中的短棒尖端一样。因此最初的提案是将冥王星/凯伦分类为双行星:两者串联在一起环绕太阳。然而,最后的方案很清楚的表示,无论是单独或是合并,冥王星和凯伦只能当成矮行星,绝不是行星。

另外,以质心是否在主体之内来判别双星体仍然存在争议。无论两个星体质量相差如何之大,当相距足够远,两者质心总会离开主星体表面。比如太阳-木星体系的质心并不在太阳内部,如果这个判别双星体的方式具有一般性,就会出现一些荒谬的判断。另一方面,对主星来说,如果质量相同,密度大将对它的主星地位不利,即有可能出现这种情况:某蓬松炙热的气体行星,在逐步降温过程中,发生引力收缩,双星系统的质心相对外移到该星体外部,它的卫星因此升格为伴星。

根据现在的定义,地球和月球,因为质心位于地球内,已经被排除在双行星之外。但是她们可以考虑像这样,自从月球绕著地球以来,他的轨道与地球绕太阳的轨道串联起来一起绕者太阳运转-俯视黄道,但月球从未真正的回到原位,所以本质上月球是以自己的轨道绕著太阳。[65]

月球与地球共用轨道的说明图。
月球地球共用轨道的说明图。

事实上,任何一颗远离母体行星足够远的卫星,绕行母行星的轨道速度是远低于母行星绕行太阳的轨道速度。与行星足够远的距离取决于行星的质量和与太阳的距离,但与卫星的质量无关。如果行星与太阳之间的距离增加,或是行星的质量减少,那么行星与卫星间所需要的距离就将增加。当然,这同样的论点也适用在木星卡利斯多土星埃皮杜斯(Iapetus),是否能成为双行星。

同样的,有许多卫星,即使没有直接绕著太阳运转,也经常会展现出与行星相同的特性。例如:木星的卫星加理美德和土星的卫星泰坦两者的直径都大到超越了水星的直径,泰坦甚至还有真实的,比地球还要浓厚的大气层;艾欧崔顿有明显和持续性的地质活动;加理美德磁场。这些都是争议的焦点,就像恒星绕著另一颗恒星时依然是恒星,因此有著行星的特征,但绕著另一颗行星运转,分享著相同轨道的天体,是否也应该被称为行星。

太阳系外行星棕矮星

国际天文联合会(IAU)的行星定义仅适用在我们的太阳系之内,对其馀700多颗太阳系外行星(绕著其他恒星并有行星尺寸的天体)因为问题太复杂而被排除到会期之外去解决。然而,所有未来的定义都应该将她们包含在内,她们的发现,以意想不到的方式扩展了对行星环境本质上的辩论。这些行星有许多有巨大的质量,接近于一颗小的恒星;相对的,也有许多新发现的恒星,小到足以被认为是行星的尺度。[66]

环绕著母星的棕矮星葛利斯229B
环绕著母星的棕矮星葛利斯229B

传统上,恒星的定义是有能力在核心进行氢融合反应的天体。然而,像棕矮星这样的天体正挑战著这个特征。太小不足以开启氢融合的反应,只能进行的融合。可是,因为这种同位素的数量稀少,这种反应在恒星的一生中所占的比例甚微,并且多数的棕矮星在被发现之前就已经停止了核融合的反应。[67] 联星(Binary stars)和其他多合星的构造是很普遍的,很多的棕矮星都环绕著其他的恒星,因此,她们不再经由核融合产生能量,她们的行为就很像行星。实际上,亚利桑那大学的天文学家Adam Burrows声称:“从理论上看,虽然她们形成的方式不同,但外太阳系和棕矮星的本质是相同的。”[68]相似的,在轨道上的白矮星,像是天狼星B,因为他停止了核融合反应,也能被认为是行星。然而,目前参与大会的天文学家认为,天体在其一生中曾经有足够巨大的质量,能进行核融合反应的都应该被认为是一颗恒星。[69]

对棕矮星的迷惑尚未结束,玛丽亚・罗莎Zapatario-Osorio等人已经在年轻的星团中发现许多天体的质量低于维持任何一种核反应所需要的质量(目前计算的质量大约是木星质量的13倍)。[70]这些天体被描述为星际行星,因为目前的太阳系形成理论认为,行星的轨道如果变得不稳定,将会从太阳系中被抛出去。有人曾建议应该修改行星的定义,行星必须是起源在环绕恒星的轨道上,然而,这可能会使被行星捕获的大卫星,例如崔顿成为行星。

但是,这些星际行星也有可能是与恒星在相同的状态下形成的。[71]低质量恒星和大质量恒星之间的组成差异并不明确,除了大小和相对温度的区分之外,像木星这样的巨大气体行星和热恒星之间只有少许的不同,两者有相似的外层组成:氢和氦,以及微量但可以察觉到的重元素存在于大气层中。通常被确认的区别只有形成的方式,恒星是由外而内的,在星云外围的气体因为重力而向中心崩溃,因而几乎整个天体都只有,而行星被认为是由内向外形成的,由环绕在年轻恒星周围的气体和尘埃累积组成,因此有矽酸盐的核心,但不确定巨大的气体天体是否拥有这样的核心。如果他的确是以如同恒星般的方式生成,那么他将引发这样的问题:我们所熟悉的,像木星或土星这样的天体,应该是环绕恒星的低质量恒星还是行星?

在2003年,国际天文联会正式发表了声明,[72]来定义何者为太阳系外行星,何者为轨道上的恒星。迄今,这仍是国际天文联会在这方面唯一的一份正式声明。

就像定义行星能清除邻近的环境一样,这个定义也不考虑形成的地点、方式、组成和确认行星环境特征等等这些因素,一颗质量在13个木星质量之下的自由天体就是次棕矮星,而这样的一个天体,若环绕著一颗进行核聚变的天体运转,所有其他的现象都是一样的,但就将被称为行星。这种含糊不清的定义在2005年12月受到了挑战,因为史匹哲太空望远镜发现了迄今质量最低的棕矮星,质量只有木星8倍的Cha 110913-773444。他似乎正在开始发展成为恒星,但是位在环绕另一颗恒星的轨道上,所以他将被称为行星。[73]

参见

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来源

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行星定义
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