行星定义


行星定义 （正體）

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航海家2号在进入外太阳系后拍摄的海王星与海卫一

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，仅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51。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，因为它的体积比冥王星（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、天王星和海王星，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。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。

目录

历史

在接受日心说之前所认知的行星

在西方，行星(planet)一词首见于古希腊语，指在固定的星空中游荡的天体（asteres planetai）。这不仅包含当时已知的五个目前被认为是行星的天体（水星、金星、火星、木星和土星），也包含太阳和月亮。但是，在当时已经使用五大和七大这样的修饰词来指明是否包含太阳和月亮，因为行星一词在当时就有歧义。

在日心说取代地心说成为被普遍接受的天文学理论时，太阳不再被列为行星，而地球替代了它的名额。在1610年伽利略发现木星的卫星（史称伽利略卫星）、1659年发现土星的卫星泰坦、1673年又发现土卫五(Rhea)和土卫八(Iapetus)之后，月亮也被从行星中除名。但是这些新发现的土星和木星的卫星最初也被称为行星，因为卫星一词(moon)当时只被用来称呼月球。

在1781年，天文学家威廉‧赫协尔于搜寻双星时，在金牛座中发现一颗他认为是彗星的天体，当时他没有想到这个天体会是一颗行星。因为完美的宇宙中只有五颗行星的观念深植在当时的科学界中。但是，不同于彗星的是，这个天体以接近圆的轨道在黄道面上绕着太阳。最后，这个天体成为太阳系的第七颗行星，并被命名为天王星。[1]

1846年海王星的发现，是由于造成天王星轨道不规则的变化，科学家认为这是由于天王星外尚有其他行星，其引力造成的天王星轨道的扰动。但海王星轨道的计算位置也与观测位置不能符合，这导致了1930年冥王星的发现。后来发现冥王星的质量太小，不足以造成海王星的轨道扰动，但航海家2号测量的结论是海王星的质量被高估了。

冥王星的一些特征不同于旧有的行星：轨道不能被视为圆形、质量不足以造成轨道摄动、而且不在黄道面上。天文学家因此开始思考如何给行星一个定义。

小星或小行星

被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，一个崭新的世界登上了舞台，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。

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。两颗行星在同一个轨道上的想法在当时是不被认同的。但数年后婚神星也在相近的距离上被发现，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，赫歇尔的提议并未被广泛接受。在赫歇尔过世的1828年，科学课本中仍然称这些小天体为行星。

到了1851年，小天体的数量已经达到15颗，于是科学家发明了新的方法来区分这些天体，就是在名称前面加上序号，而在无意间产生了新的类别。到了1860年代，欧洲与美洲的观测者已开始称这些天体为小行星(minor planets或small planets)。话虽如此，还是花了许多时间才完成将这些小天体分类的工作。[2]

最大的古柏带天体与地球的比较。

1930年，冥王星在被发现之后很快的被归类为行星，于是冥王星的特性就不断地被拿来与谷神星比较，开始了漫长的名位之争。冥王星是一个冰冻的小天体，却反常的出现在气体巨星所存在的环境中。冥王星的轨道不仅偏离了黄道平面，还会切入海王星轨道的内侧。然而，在当时它是海王星之外唯一为人所知的似行星天体。到了1992年，天文学家在海王星之外发现了为数众多，而结构与体积和冥王星相似的冰冻小天体。科学家们认为他们发现了长久以来预测的古柏带(有时称为契形古伯带)，这是短周期彗星，像是哈雷彗星，这种周期短于200年的彗星，来源的冰冻碎片带。

冥王星的轨道位于古柏带的中间，因此，它的行星身分受到了质疑；谷神星因为与其它的天体共同拥有的相似轨道而丧失行星身份的先例，让许多学者认为冥王星应该重新归类为小行星。加州理工学院的米高·布朗就建议：“在太阳系中的行星应该是质量大于在相似轨道上其他天体的质量总和的天体”。"[3]虽然在1999年，国际天文联会明白的表示还不到改变冥王星身分的适当时机，但布朗建议的这条质量限制指出了主要的行星将只有八颗，也宣示了冥王星将被降级的远景。[4] [5]

在其他一些大小与冥王星相似的外海王星天体，像(50000) 夸欧尔和(90377) 塞德娜被发现后，又挑起了冥王星不能例外于外海王星天体的议题。 在2005年7月29日，米高·布朗和他的小组宣布她们发现了比冥王星更大的天体，[6] 临时的名称是2003 UB313。[7]虽然发现者和许多的新闻媒体立刻称呼该星体为第十颗行星，但是在正式的文件上，它仍然被认为是一颗小行星，使用的是临时名称2003 UB313，表示是在2003年10月下半月被发现的第7827颗小行星。.

国际天文联会的辩论

主条目：2006年行星重定义
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) [8][9]

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，[10] 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。[11][12]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。

“ 国际天文联会....议决，太阳系中的行星及其他天体将以下述知方法，被分成三个不同的类别：

(1) 行星[1] 是这样的一种天体：

  • (a) 在轨道上环绕着太阳。
  • (b) 有足够的质量，能以自身的重力克服刚体力，因此能呈现流体静力平衡的形状(接近圆球体)。
  • (c) 将邻近轨道上的天体清除。
  • (d) 未能发生核聚变。

(2) 矮行星或是 小行星 (planetoid)是一种天体：

  • (a) 在轨道上环绕着太阳。
  • (b) 有足够的质量，能以自身的重力克服刚体力，因此能呈现流体静力平衡的形状(接近圆球体)。[2]
  • (c) 未能将邻近轨道上的天体清除。
  • (d) 不是行星的卫星。

(3) 所有环绕太阳的其他天体[3]都归类到太阳系小天体。

注脚：

[1] 行星只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。
[2] IAU的程序将建立规范，并将天体归类为矮行星或其他的分类中。
[3] 现行的包括太阳系内大多数的小行星、外海王星天体、彗星、和其他的小天体。

IAU 进一步的决议：

依据上述的定义，冥王星是一颗矮行星，并且是新分类的外海王星天体中冥王星群的样板。

 ”

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。[13] 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。[14] 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着恒星的天体，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。”[15]

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余的质量，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。[16]

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

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，这意味着她们的形状要成为球形，如果不是，也要成为扁球体。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，像是木星和土星、米玛斯、恩克拉多斯、米兰达和古柏带天体(136108) 2003 EL61 [17]，已经因为快速的自转或潮汐力的作用变形成为扁圆或扁长形的扁球体。然而，要决定在太阳系中的天体哪些是球状的或球体，似乎比定义更复杂。以数学的说法，扁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，所有的扁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。 [18]

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
2003 EL61 ~1960 × 1520 × 1000 420±10 2.6–3.3 椭球体
谷神星 975 × 909 95 2.08 扁球体
灶神星 578 × 560 × 478 27 3.4 扁球体
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 扁球体
健神星 500 × 385 × 350 10 2.76 不规则
天卫五 480 × 468.4 × 465.8 6.59 1.20 扁球体
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 扁球体
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。 [19][20]

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、潮汐力或放射性衰变的热能，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，但是古柏带的(136108) 2003 EL61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。[21]木星和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扁球体。

双行星

主条目：双行星
望远镜下的冥王星和查龙。

目前的定义已经具体的将卫星从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。不仅要一个绕着另一个旋转，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。

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，自从月球绕着地球以来，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着太阳。[22]

月球与地球共享轨道的说明图。

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和卡利斯多或土星和埃皮杜斯( Iapetus )，是否能成为双行星。

同样的，有许多卫星，即使没有直接绕着太阳运转，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；艾欧和崔顿有明显和持续性的地质活动；加理美德有磁场。 这些都是争议的焦点，就像恒星绕着另一颗恒星时依然是恒星，因此有着行星的特征，但绕着另一颗行星运转，分享著相同轨道的天体，是否也应该被称为行星。

太阳系外行星和棕矮星

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，对其余200多颗太阳系外行星(绕着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。[23]

环绕着母星的棕矮星Gliese 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着这个特征。太小不足以开启氢融合的反应，只能进行氘的融合。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。[24] 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着其他的恒星，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。” [25] 相似的，在轨道上的白矮星，像是天狼B星，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。[26]

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)。[27] 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。

Image:Cha110913.jpg
孤独的次棕矮星 Cha 110913-773444 (中央)，是已经发现的棕矮星中质量最低的，与太阳(左边)和木星(右边)的比较图。

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。[28] 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氢和氦，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，因此有硅酸盐或冰的核心，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，[29] 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。

“
  1. 物体的真实质量在能进行氘聚变的热核反应极限之下(目前的计算相当于是13个木星质量的太阳系物质)，环绕着恒星的天体是行星(不考量形成的方式)。最低的外太阳系行星质量/尺寸应该等同于太阳系内的行星。
  2. 次恒星的真实质量应该在能进行氘聚变的热核反应极限之上，无论是如何形成或位于何处，称为棕矮星。
  3. 在年轻星团中的自由天体，质量低于氘聚变极限之下的不是行星，但归类为次棕矮星(也可以是其他任何被认可的名称)。
 ”

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，若环绕着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。[30]

参见

主要资料来源

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