行星定義直到2006年8月24日才有了一個比較明確且可以被接受的文字?jǐn)⑹?。在這之前,盡管行星一詞已經(jīng)被使用了數(shù)千年,但令人驚訝的是,科學(xué)界始終沒有給過行星明確的定義。進(jìn)入21世紀(jì)后,行星的認(rèn)定成為一個備受爭議的主題,這才迫使天文學(xué)界不得不為行星做出定義。
數(shù)千年來,“行星”一詞只被用在太陽系內(nèi)。當(dāng)時天文學(xué)家尚未在太陽系以外發(fā)現(xiàn)任何行星。但從1992年起,人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多比海王星更遙遠(yuǎn)的小天體,而且其中也不乏與冥王星大小相當(dāng)者,這使得有資格成為行星的天體由原有的9顆增加至數(shù)打之多。1992年后柯伊伯帶天體的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)及1995年首個太陽系外行星飛馬座51b的確認(rèn),特別是2005年鬩神星體積超越冥王星的觀測成果,直接推動IAU重新制定標(biāo)準(zhǔn)。截至2024年已發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆系外行星。這些新發(fā)現(xiàn)不僅增加了潛在行星的數(shù)量,且由于這些行星具有迥異的性質(zhì)──有些大小足以成為恒星,有些又比我們的月球還小──使得長久以來模糊不清的行星概念,越來越有明確定義的必要性。
定義
2005年,一顆外海王星天體,鬩神星(當(dāng)時編號為2003 UB313)的發(fā)現(xiàn),使得對行星做明確定義的必要性升至頂點,因為它的體積比冥王星(在當(dāng)時是已被定義為行星的天體中最小者)還要大。國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU),由各國的天文學(xué)家組成負(fù)責(zé)為天體命名與分類的組織,在2006年對此問題做出了回應(yīng),發(fā)布了行星的定義。依據(jù)這最新的定義,行星是環(huán)繞太陽(恒星)運行的天體,它們有足夠大的質(zhì)量使自身因為重力而成為圓球體,并且能清除鄰近的小天體。未能清除軌道內(nèi)小天體的則被納入一個新創(chuàng)的分類,稱做矮行星。除了以上兩類,其他圍繞太陽運行的天體則被稱為“太陽系小天體”。
按照以上定義,太陽系有八個行星: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月為止,已獲承認(rèn)的矮行星則有冥王星、谷神星和鬩神星,2008年7月才增加了第四顆鳥神星,又于同年9月增加了第五顆妊神星。但國際天文學(xué)聯(lián)合會的這項決議并無法弭平所有爭議,部分天文學(xué)家拒絕承認(rèn)此一決議。
行星定義直到2006年8月24日才有了一個比較明確且可以被接受的文字?jǐn)⑹?。在這之前,盡管行星一詞已經(jīng)被使用了數(shù)千年,但令人驚訝的是,科學(xué)界始終沒有給過行星明確的定義。進(jìn)入21世紀(jì)后,行星的認(rèn)定成為一個備受爭議的主題,這才迫使天文學(xué)界不得不為行星做出定義。
數(shù)千年來,“行星”一詞只被用在太陽系內(nèi)。當(dāng)時天文學(xué)家尚未在太陽系以外發(fā)現(xiàn)任何行星。但從1992年起,人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多比海王星更遙遠(yuǎn)的小天體,而且其中也不乏與冥王星大小相當(dāng)者,這使得有資格成為行星的天體由原有的9顆增加至數(shù)打之多。1995年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個太陽系外行星飛馬座51。之后,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星已經(jīng)有數(shù)百顆之多。這些新發(fā)現(xiàn)不僅增加了潛在行星的數(shù)量,且由于這些行星具有迥異的性質(zhì)──有些大小足以成為恒星,有些又比我們的月球還小──使得長久以來模糊不清的行星概念,越來越有明確定義的必要性。
歷史
在星座間穿行
在西方,行星(planet)一詞首見于古希臘語,指在固定的星空中游蕩的天體(asteres planetai)。這不僅包含當(dāng)時已知的五個被認(rèn)為是行星的天體(水星、金星、火星、木星和土星)。也包含太陽和月亮。但是,在當(dāng)時已經(jīng)使用五大和七大這樣的修飾詞來指明是否包含太陽和月亮,因為行星一詞在當(dāng)時就有歧義。
古人觀察星空,發(fā)現(xiàn)天體分作兩類:一類固定在天球上,組成各個星座,形成一幅永恒的天空背景,稱之為恒星;另一類天體在黃道附近運行,不斷穿過黃道上的十二個星座,稱之為行星。這些行星包括七顆,分別是太陽和太陰(月球),以及金木水火土五個肉眼可見的經(jīng)典行星。它們在天空中極為特殊:一方面,它們不斷運行,不斷進(jìn)入不同的星座;另一方面,它們極為明亮,全天成千上萬顆星體中,七顆行星亮度分別排行第1,2,3,4,5,6,9。
圍繞太陽公轉(zhuǎn)
在日心說取代地心說成為被普遍接受的天文學(xué)理論時,大家認(rèn)識到太陽不動而地球在運行,因此地球就取代了太陽的地位成為行星,太陽則被歸入恒星。
在1610年伽利略·伽利萊發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星(史稱伽利略衛(wèi)星)、1659年發(fā)現(xiàn)土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六、1673年又發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)五(Rhea)和土衛(wèi)八(Iapetus)之后,這些新發(fā)現(xiàn)的土星和木星的衛(wèi)星最初也被稱為行星,因為衛(wèi)星一詞(moon)當(dāng)時只被用來稱呼月球。衛(wèi)星的概念在稍后逐漸被接受,很快行星被限定必須直接圍繞太陽運行,因此月球也被排除在行星行列之外。
最終,日月金木水火土七大行星變?yōu)榈亟鹉舅鹜亮笮行恰?/p>
新的限制
第七顆行星天王星被發(fā)現(xiàn):在1781年,天文學(xué)家威廉?赫協(xié)爾于搜尋雙星時,在金牛座中發(fā)現(xiàn)一顆他認(rèn)為是彗星的天體,當(dāng)時他沒有想到這個天體會是一顆行星。因為完美的宇宙中只有五顆行星的觀念深植在當(dāng)時的科學(xué)界中。但是,不同于彗星的是,這個天體以接近圓的軌道在黃道面上繞著太陽。最后,這個天體成為太陽系的第七顆行星,并被命名為天王星。
1801年,谷神星被發(fā)現(xiàn),有長達(dá)49年之久的時間被稱為第8顆行星;隨著一顆又一顆越來越小的小行星被發(fā)現(xiàn),天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)不能繼續(xù)用行星這一概念指代體積如此微小而數(shù)量如此龐大的天體群體,因此1850年,天文學(xué)家把所有這一系列小天體,包括谷神星歸于小行星,其行星地位被免除。同時行星的定義出現(xiàn)新的變化:并非所有直接繞太陽公轉(zhuǎn)的天體都是行星,行星必須“足夠大”且“卓爾不群”。
第八顆行星海王星被發(fā)現(xiàn):1846年海王星的發(fā)現(xiàn),是由于造成天王星軌道不規(guī)則的變化,科學(xué)家認(rèn)為這是由于天王星外尚有其他行星,其引力造成的天王星軌道的擾動。
1930年,冥王星被發(fā)現(xiàn),有長達(dá)76年之久的時間被稱為第9顆行星;20世紀(jì)末,隨著一顆又一顆大大小小的外海王星天體被發(fā)現(xiàn),使得冥王星與當(dāng)初谷神星的地位非常相似,而最終命運也相同:它也因尺寸太小,且發(fā)現(xiàn)一系列更小的同類型星體(還包括一顆較大的同類型星體鬩神星),而于2006年被降格為矮行星。冥王星的行星地位之爭,把原有不成文的概念確立成準(zhǔn)確定義:直接繞太陽公轉(zhuǎn)、流體靜力平衡(足夠大)、清空其軌道(卓爾不群)。
小星或小行星
被威廉·赫歇爾意外發(fā)現(xiàn)的天王星似乎確認(rèn)了波德定律,一個關(guān)于行星軌道半徑分布的數(shù)學(xué)函數(shù)。雖然天文學(xué)家認(rèn)為這只是無意中的巧合,但是天王星的位置與預(yù)測的數(shù)值非常接近。由于這個定律也預(yù)測在火星與木星之間有未被觀察到的天體,于是有些天文學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)移至這個區(qū)域,希望能發(fā)現(xiàn)新的行星。終于,在1801年,一個嶄新的世界登上了舞臺,谷神星被發(fā)現(xiàn)了,它正好位在預(yù)測的空間上。當(dāng)時它被認(rèn)為是一顆新的行星。
然后,在1802年,海因里?!W伯斯發(fā)現(xiàn)了智神星,這是與谷神星到太陽的距離幾乎相同的第二顆行星。兩顆行星在同一個軌道上的想法在當(dāng)時是不被認(rèn)同的。但數(shù)年后婚神星也在相近的距離上被發(fā)現(xiàn),而往后的數(shù)十年中,更多的天體在這個區(qū)域內(nèi)被發(fā)現(xiàn),它們與太陽的距離也都幾乎一樣。
因此,天文學(xué)家威廉·赫歇爾建議分出一類新的天體:小星(asteroids,意思是“類似星星”,因為這一類星體都很小,看起來像恒星而看不出像行星的盤面),不過當(dāng)時多數(shù)的天文學(xué)家還是喜歡將他們稱為行星,赫歇爾的提議并未被廣泛接受。在赫歇爾過世的1828年,科學(xué)課本中仍然稱這些小天體為行星。
到了1851年,小天體的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到15顆,于是科學(xué)家發(fā)明了新的方法來區(qū)分這些天體,就是在名稱前面加上序號,而在無意間產(chǎn)生了新的類別。到了1860年代,歐洲與美洲的觀測者已開始稱這些天體為小行星(minor planets或small planets)。話雖如此,還是花了許多時間才完成將這些小天體分類的工作。
1930年,冥王星在被發(fā)現(xiàn)之后很快的被歸類為行星,于是冥王星的特性就不斷地被拿來與谷神星比較,開始了漫長的名位之爭。冥王星是一個冰凍的小天體,卻反常的出現(xiàn)在氣態(tài)巨行星所存在的環(huán)境中。冥王星的軌道不僅偏離了黃道平面,還會切入海王星軌道的內(nèi)側(cè)。然而,在當(dāng)時它是海王星之外唯一為人所知的似行星天體。到了1992年,天文學(xué)家在海王星之外發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多,而結(jié)構(gòu)與體積和冥王星相似的冰凍小天體??茖W(xué)家們認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)了長久以來預(yù)測的柯伊伯帶(有時稱為契形古伯帶),這是短周期彗星,像是哈雷彗星,這種周期短于200年的彗星,來源的冰凍碎片帶。
冥王星的軌道位于古柏帶的中間,因此,它的行星身分受到了質(zhì)疑;谷神星因為與其它的天體共同擁有的相似軌道而喪失行星身份的先例,讓許多學(xué)者認(rèn)為冥王星應(yīng)該重新歸類為小行星。加州理工學(xué)院的米高·布朗就建議:“在太陽系中的行星應(yīng)該是質(zhì)量大于在相似軌道上其他天體的質(zhì)量總和的天體”。"雖然在1999年,國際天文聯(lián)會明白的表示還不到改變冥王星身分的適當(dāng)時機,但布朗建議的這條質(zhì)量限制指出了主要的行星將只有八顆,也宣示了冥王星將被降級的遠(yuǎn)景。
在其他一些大小與冥王星相似的外海王星天體,像(50000) 創(chuàng)神星和(90377)塞德娜被發(fā)現(xiàn)后,又挑起了冥王星不能例外于外海王星天體的議題。在2005年7月29日,米高·布朗和他的小組宣布她們發(fā)現(xiàn)了比冥王星更大的天體,臨時的名稱是2003 UB。雖然發(fā)現(xiàn)者和許多的新聞媒體立刻稱呼該星體為第十顆行星,但是在正式的文件上,它仍然被認(rèn)為是一顆小行星,使用的是臨時名稱2003 UB,表示是在2003年10月下半月被發(fā)現(xiàn)的第7827顆小行星。
辯論
2003 UB313、查龍、和谷神星,是根據(jù)草案被提交的三顆新行星,但最后的提案從行星族群中排除了他們。
2003 UB的發(fā)現(xiàn)迫使國際天文聯(lián)合會必須正視這個問題。在2005年10月,IAU第19工作小組的成員經(jīng)由投票,將可能的行星定義縮減成三條簡短的文字,做為建議案提出。這些定義如下:
??行星是直徑大于2,000公里,在軌道上環(huán)繞太陽的任何天體。(11票贊成)
??行星是任何外形已經(jīng)在重力作用下穩(wěn)定,并且環(huán)繞太陽運轉(zhuǎn)的天體。(8票贊成)
??行星是在環(huán)繞太陽的軌道上,能統(tǒng)治鄰近范圍內(nèi)天體的任何天體。(6票贊成)
因為沒有達(dá)成整體一致的意見,委員會決定將這三個定義交由2006年8月在捷克布拉格舉行的IAU會員大會來表決,并且在2006年8月24日,作為大會最后的議題來投票。IAU結(jié)合了這三條可能的定義做成了兩個提案,作為大會最后的投票案。這個提案在“行星”和“巖石”(或是太陽系小天體)之間創(chuàng)造了一個被稱為矮行星的新分類,并將冥王星列名于其中,似乎是要將小行星這個分類給廢棄掉。雖然只有474位天文學(xué)家在最后參與了投票,這個議案還是被通過了。
國際天文聯(lián)會議決,太陽系中的行星及其他天體將以下述知方法,被分成三個不同的類別:
(1)行星 是這樣的一種天體:
??(a) 在軌道上環(huán)繞著太陽。
??(b) 有足夠的質(zhì)量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現(xiàn)流體靜力平衡的形狀(接近圓球體)。
??(c) 將鄰近軌道上的天體清除。
??(d) 未能發(fā)生核聚變。
(2)矮行星是一種天體:
??(a) 在軌道上環(huán)繞著太陽。
??(b) 有足夠的質(zhì)量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現(xiàn)流體靜力平衡的形狀(接近圓球體)。
??(c) 未能將鄰近軌道上的天體清除。
(3) 所有環(huán)繞太陽的其他天體都?xì)w類到太陽系小天體。
注腳:
行星只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。
IAU的程序?qū)⒔⒁?guī)范,并將天體歸類為矮行星或其他的分類中。
現(xiàn)行包括太陽系內(nèi)大多數(shù)的小行星、海王星外天體、彗星、和其他的小天體。
IAU 進(jìn)一步的決議:
依據(jù)上述的定義,冥王星是一顆矮行星,并且是新分類的海王星外天體中冥王星群的樣板。
留下的爭論
盡管定義已經(jīng)被正式的認(rèn)可,有些問題還是未能解決。定義看似隨意撰寫和糾纏不清,并且許多“支持冥王星是行星”的擁護(hù)者,包括美國航空航天局前往冥王星的探測新地平線號探測器任務(wù)的主持人艾倫·史騰(Alan Stern),串連了一批天文學(xué)家提出修改定義的請愿。他們的主要論點是:因為只有不到5%的天文學(xué)家投票支持新的定義,所以此一決定不足以代表全體天文學(xué)家的意見。而即使排除了此一爭議,定義之中仍然有含糊不清之處。
清除鄰近區(qū)域
“清除鄰近區(qū)域”(Clearing the neighbourhood)是指這顆星體是它的軌道里最大的那顆星體,而這顆星體要有足夠的質(zhì)量把它軌道里的其他星體清除,這就好像在一片鋪平的鐵屑之中,用一塊磁鐵沿一直線掃過這片地帶。這塊磁鐵會沿路吸取更多的鐵屑而變得越來越大。我們太陽系中的巨大氣體行星就是這樣形成的:巨大的引力使它周圍的星體都紛紛撞到它的表面上。
但是部分科學(xué)家認(rèn)為“清除鄰近區(qū)域”一詞本身的含意就不是相當(dāng)明確,艾倫·史騰反對并認(rèn)為不可能在行星和矮行星之間劃下一條明確的界線,因為不僅地球、火星、木星,即使海王星也未能完全清除在他們附近的碎片,在IAU的定義下沒有一個天體可以成為行星。他在新近出版的著作中,對此提出了抗辯,他寫道:“我們定義了überplanet,是一種像行星一樣環(huán)繞著恒星的天體,在動力學(xué)上的重要性是足以清除鄰近區(qū)域的微星體,……并且我們也定義了unterplanet,是不能如此做的天體...”在之后,還有一些短評:“我們的太陽系明顯的有8 顆überplanets和為數(shù)眾多的unterplanets,其中最大的是冥王星和谷神星。”
在他的文章主題上,史蒂芬·索特給了一個定義,實際上,這是麥克?布朗以質(zhì)量為主要依據(jù)的定義:如果一個天體的質(zhì)量百倍于軌道帶上剩余的質(zhì)量,他便是一顆行星。如果兩顆天體與恒星有相同的距離,或是為首的這顆與另一顆的軌道周期差異少于一個數(shù)量級,這兩顆天體就是共享一個軌道帶。換言之,如果兩個天體與恒星有相同的距離,各自在軌道的一個點上,這兩者的軌道是相似的,即使彗星也是,距離數(shù)倍于另一個天體,都能算是在相同的軌道帶上。
假設(shè)這樣的鄰近區(qū)域的定義最終被IAU接受了,他仍然不是明確的觀念(定義)。他未從構(gòu)造和成因來定義行星,只是在位置(地點)上給了有效的定義。因此,在這個定義下,冥王星,甚至在單獨軌道上更小的天體,都可以稱為行星;而更大的,但靠近另一個天體,卻將被歸類為矮行星。
流體靜力平衡
國際天文聯(lián)會(IAU)的行星定義要求行星有足夠的質(zhì)量能以自身的重力達(dá)到流體靜力平衡的狀態(tài),這意味著她們的形狀要成為球形,如果不是,也要成為類球形。這種分別,與嚴(yán)格的球體相對,是基于太陽系內(nèi)許多大天體的實情,像是木星和土星、米瑪斯、土衛(wèi)二、米蘭達(dá)和柯伊伯帶天體妊神星,已經(jīng)因為快速的自轉(zhuǎn)或潮汐力的作用變形成為扁球形或長球形的類球體。然而,要決定在太陽系中的天體哪些是球狀的或類球狀的,似乎比定義更復(fù)雜。以數(shù)學(xué)的說法,類球體是由繞軸旋轉(zhuǎn)的橢圓來規(guī)范的,必然的會有兩根一樣長的軸和另一根長一些或短一些的軸,他們似乎是在一個維度上被扭曲的球體(通過舒展或擠壓)。于是,從其中一個軸的方向看是圓形,但從另外二個軸的方向看則是橢圓形。
然而,所有的類球體都可能從某一個點看似有平滑的外觀(形成圓或橢圓的截面)。對一個在地貌學(xué)上被認(rèn)定是不規(guī)則天體也可能只是估計的,可是,考慮這樣的不規(guī)則性,就存在天體之間互相對比的定義了,像是這些在本質(zhì)上是球體,但外觀卻是不規(guī)則的天體:海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)八,他的邊緣就沒有顯露出平滑的曲度。
如果僅使用數(shù)學(xué)的論述來定義球體,那么這些在太陽系中明顯因遭受到折磨,而介于球狀和不規(guī)則之間的天體,就像下面的表中的天體,該如何歸類:
天體的密度可以對他的構(gòu)成給一個概略的指引:密度越低,冰的比例會越高,巖石的比例也越低。密度最高的一些天體,灶神星和婚神星幾乎都是巖石,只有少量的冰,密度也與月球相近。密度低的天體,像海衛(wèi)八與土衛(wèi)二(土衛(wèi)二),主要由冰組成。
很顯然的,沒有明確的大小和質(zhì)量能區(qū)分太陽系內(nèi)的球體與不規(guī)則天體,不規(guī)則天體的智神星、健神星和普羅秋斯(海衛(wèi)八),都比一些規(guī)則的天體還大,米蘭達(dá)(天衛(wèi)五)和米瑪斯(土衛(wèi)一)也一樣。并且,在表中列出維度顯示球體的范圍相當(dāng)寬松。由上述的模式,灶神星也是球體,雖然外觀上不像,但由其中的一些定義它是的(參考上圖)。然而,即使我們將樣品局限在接近球體的范圍內(nèi),重力也不是唯一能決定形狀的因素。以冰為主的天體,像是土衛(wèi)二 (土衛(wèi)二)和米蘭達(dá)(天衛(wèi)五),就比以巖石為主的,像是灶神星和智神星,更容易成為球形。來自重力崩潰、撞擊、潮汐力或放射性衰變的熱能,也會影響到天體能否成為球體。土星的衛(wèi)星米瑪斯是球體,但海王星更大的衛(wèi)星普羅秋斯卻不是球體,兩者的成分雖然相似,但后者離太陽較遠(yuǎn),位在溫度較低的環(huán)境下。
要注意谷神星是球體,但是柯伊伯帶的妊神星重了數(shù)倍,卻是太陽系內(nèi)已知最大的非球體天體,因為他被快速的自轉(zhuǎn)拉成了橢球體。木星和土星也因為快速的自轉(zhuǎn)成為扁圓形,米瑪斯、土衛(wèi)二、和米蘭達(dá)也都被潮汐力拉長成為類球體。
雙行星
目前的定義已經(jīng)具體的將衛(wèi)星從矮行星的分類中排除,沒有直接定義衛(wèi)星這個項目。在原始企劃的草案中,對冥王星和他最大的衛(wèi)星,凱倫,做了特例的處理,以質(zhì)心是否在主體之內(nèi)來區(qū)分。不僅要一個繞著另一個旋轉(zhuǎn),還要彼此的軌道向旋轉(zhuǎn)中的短棒尖端一樣。因此最初的提案是將冥王星/凱倫分類為雙行星:兩者串聯(lián)在一起環(huán)繞太陽。然而,最后的方案很清楚的表示,無論是單獨或是合并,冥王星和凱倫只能當(dāng)成矮行星,絕不是行星。
另外,以質(zhì)心是否在主體之內(nèi)來判別雙星體仍然存在爭議。無論兩個星體質(zhì)量相差如何之大,當(dāng)相距足夠遠(yuǎn),兩者質(zhì)心總會離開主星體表面。比如太陽-木星體系的質(zhì)心并不在太陽內(nèi)部,如果這個判別雙星體的方式具有一般性,就會出現(xiàn)一些荒謬的判斷。另一方面,對主星來說,如果質(zhì)量相同,密度大將對它的主星地位不利,即有可能出現(xiàn)這種情況:某蓬松炙熱的氣體行星,在逐步降溫過程中,發(fā)生引力收縮,雙星系統(tǒng)的質(zhì)心相對外移到該星體外部,它的衛(wèi)星因此升格為伴星。
事實上,任何一顆遠(yuǎn)離母體行星足夠遠(yuǎn)的衛(wèi)星,繞行母行星的軌道速度是遠(yuǎn)低于母行星繞行太陽的軌道速度。與行星足夠遠(yuǎn)的距離取決于行星的質(zhì)量和與太陽的距離,但與衛(wèi)星的質(zhì)量無關(guān)。如果行星與太陽之間的距離增加,或是行星的質(zhì)量減少,那么行星與衛(wèi)星間所需要的距離就將增加。當(dāng)然,這同樣的論點也適用在木星和卡利斯多或土星和埃皮杜斯( Iapetus ),是否能成為雙行星。
同樣的,有許多衛(wèi)星,即使沒有直接繞著太陽運轉(zhuǎn),也經(jīng)常會展現(xiàn)出與行星相同的特性。例如:木星的衛(wèi)星加理美德和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六兩者的直徑都大到超越了水星的直徑,泰坦甚至還有真實的,比地球還要濃厚的大氣層;艾歐和崔頓有明顯和持續(xù)性的地質(zhì)活動;加理美德有磁場。這些都是爭議的焦點,就像恒星繞著另一顆恒星時依然是恒星,因此有著行星的特征,但繞著另一顆行星運轉(zhuǎn),分享著相同軌道的天體,是否也應(yīng)該被稱為行星。
太陽系外行星
國際天文聯(lián)合會(IAU)的行星定義僅適用在我們的太陽系之內(nèi),對其余700多顆太陽系外行星(繞著其他恒星并有行星尺寸的天體)因為問題太復(fù)雜而被排除到會期之外去解決。然而,所有未來的定義都應(yīng)該將她們包含在內(nèi),她們的發(fā)現(xiàn),以意想不到的方式擴展了對行星環(huán)境本質(zhì)上的辯論。這些行星有許多有巨大的質(zhì)量,接近于一顆小的恒星;相對的,也有許多新發(fā)現(xiàn)的恒星,小到足以被認(rèn)為是行星的尺度。
傳統(tǒng)上,恒星的定義是有能力在核心進(jìn)行氫融合反應(yīng)的天體。然而,像棕矮星這樣的天體正挑戰(zhàn)著這個特征。太小不足以開啟氫融合的反應(yīng),只能進(jìn)行的融合。可是,因為這種同位素的數(shù)量稀少,這種反應(yīng)在恒星的一生中所占的比例甚微,并且多數(shù)的棕矮星在被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)停止了核融合的反應(yīng)。聯(lián)星(Binary stars)和其他多合星的構(gòu)造是很普遍的,很多的棕矮星都環(huán)繞著其他的恒星,因此,她們不再經(jīng)由核融合產(chǎn)生能量,她們的行為就很像行星。實際上,亞利桑那大學(xué)的天文學(xué)家Adam Burrows聲稱:“從理論上看,雖然她們形成的方式不同,但外太陽系和棕矮星的本質(zhì)是相同的?!毕嗨频?,在軌道上的伴星,像是天狼星B,因為他停止了核融合反應(yīng),也能被認(rèn)為是行星。然而,目前參與大會的天文學(xué)家認(rèn)為,天體在其一生中曾經(jīng)有足夠巨大的質(zhì)量,能進(jìn)行核融合反應(yīng)的都應(yīng)該被認(rèn)為是一顆恒星。
對棕矮星的迷惑尚未結(jié)束,瑪麗亞?羅莎Zapatario-Osorio等人已經(jīng)在年輕的星團中發(fā)現(xiàn)許多天體的質(zhì)量低于維持任何一種核反應(yīng)所需要的質(zhì)量(目前計算的質(zhì)量大約是木星質(zhì)量的13倍)。這些天體被描述為星際行星,因為目前的太陽系形成理論認(rèn)為,行星的軌道如果變得不穩(wěn)定,將會從太陽系中被拋出去。有人曾建議應(yīng)該修改行星的定義,行星必須是起源在環(huán)繞恒星的軌道上,然而,這可能會使被行星捕獲的大衛(wèi)星,例如海衛(wèi)一成為行星。
但是,這些星際行星也有可能是與恒星在相同的狀態(tài)下形成的。低質(zhì)量恒星和大質(zhì)量恒星之間的組成差異并不明確,除了大小和相對溫度的區(qū)分之外,像木星這樣的巨大氣體行星和熱恒星之間只有少許的不同,兩者有相似的散逸層組成:氫和氦,以及微量但可以察覺到的重元素存在于大氣層中。通常被確認(rèn)的區(qū)別只有形成的方式,恒星是由外而內(nèi)的,在星云外圍的氣體因為重力而向中心崩潰,因而幾乎整個天體都只有氫和氦,而行星被認(rèn)為是由內(nèi)向外形成的,由環(huán)繞在年輕恒星周圍的氣體和塵埃累積組成,因此有硅酸鹽或冰的核心,但不確定巨大的氣體天體是否擁有這樣的核心。如果他的確是以如同恒星般的方式生成,那么他將引發(fā)這樣的問題:我們所熟悉的,像木星或土星這樣的天體,應(yīng)該是環(huán)繞恒星的低質(zhì)量恒星還是行星?
在2003年,國際天文聯(lián)會 正式發(fā)表了聲明,來定義何者為太陽系外行星,何者為軌道上的恒星。迄今,這仍是國際天文聯(lián)會在這方面唯一的一份正式聲明。
物體的真實質(zhì)量在能進(jìn)行氘聚變的熱核反應(yīng)極限之下(目前的計算相當(dāng)于是13個木星質(zhì)量的太陽系物質(zhì)),環(huán)繞著恒星的天體是行星(不考量形成的方式)。最低的外太陽系行星質(zhì)量/尺寸應(yīng)該等同于太陽系內(nèi)的行星。
次恒星的真實質(zhì)量應(yīng)該在能進(jìn)行氘聚變的熱核反應(yīng)極限之上,無論是如何形成或位于何處,稱為棕矮星。
在年輕星團中的自由天體,質(zhì)量低于氘聚變極限之下的不是行星,但歸類為次棕矮星(也可以是其他任何被認(rèn)可的名稱)。
1.
物體的真實質(zhì)量在能進(jìn)行氘聚變的熱核反應(yīng)極限之下(目前的計算相當(dāng)于是13個木星質(zhì)量的太陽系物質(zhì)),環(huán)繞著恒星的天體是行星(不考量形成的方式)。最低的外太陽系行星質(zhì)量/尺寸應(yīng)該等同于太陽系內(nèi)的行星。
2.
次恒星的真實質(zhì)量應(yīng)該在能進(jìn)行氘聚變的熱核反應(yīng)極限之上,無論是如何形成或位于何處,稱為棕矮星。
3.
在年輕星團中的自由天體,質(zhì)量低于氘聚變極限之下的不是行星,但歸類為次棕矮星(也可以是其他任何被認(rèn)可的名稱)。
就像定義行星能清除鄰近的環(huán)境一樣,這個定義也不考慮形成的地點、方式、組成和確認(rèn)行星環(huán)境特征等等這些因素,一顆質(zhì)量在13個木星質(zhì)量之下的自由天體就是次棕矮星,而這樣的一個天體,若環(huán)繞著一顆進(jìn)行核聚變的天體運轉(zhuǎn),所有其他的現(xiàn)象都是一樣的,但就將被稱為行星。這種含糊不清的定義在2005年12月受到了挑戰(zhàn),因為史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今質(zhì)量最低的棕矮星,質(zhì)量只有木星8倍的Cha 110913-773444。他似乎正在開始發(fā)展成為恒星,但是位在環(huán)繞另一顆恒星的軌道上,所以他將被稱為行星。
太陽系小天體
2005年,一顆外海王星天體,鬩神星(當(dāng)時編號為2003 UB313)的發(fā)現(xiàn),使得對行星做明確定義的必要性升至頂點,因為它的體積比冥王星(在當(dāng)時是已被定義為行星的天體中最小者)還要大。國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU),由各國的天文學(xué)家組成負(fù)責(zé)為天體命名與分類的組織,在2006年對此問題做出了回應(yīng),發(fā)布了行星的定義。依據(jù)這最新的定義,行星是環(huán)繞太陽(恒星)運行的天體,它們有足夠大的質(zhì)量使自身因為重力而成為圓球體,并且能清除鄰近的小天體。未能清除軌道內(nèi)小天體的則被納入一個新創(chuàng)的分類,稱做矮行星。除了以上兩類,其他圍繞太陽運行的天體則被稱為“太陽系小天體”。
按照以上定義,太陽系有八個行星: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月為止,已獲承認(rèn)的矮行星則有冥王星、谷神星和鬩神星,2008年7月才增加了第四顆鳥神星,又于同年9月增加了第五顆妊神星。但國際天文學(xué)聯(lián)合會的這項決議并無法弭平所有爭議,部分天文學(xué)家拒絕承認(rèn)此一決議。
歷史
在西方,行星(planet)一詞首見于古希臘語,指在固定的星空中游蕩的天體(asteres planetai)。這不僅包含當(dāng)時已知的五個目前被認(rèn)為是行星的天體(水星、金星、火星、木星和土星),也包含太陽和月亮。但是,在當(dāng)時已經(jīng)使用五大和七大這樣的修飾詞來指明是否包含太陽和月亮,因為行星一詞在當(dāng)時就有歧義。在日心說取代地心說成為被普遍接受的天文學(xué)理論時,太陽不再被列為行星,而地球替代了它的名額。在1610年伽利略發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星(史稱伽利略衛(wèi)星)、1659年發(fā)現(xiàn)土星的衛(wèi)星泰坦、1673年又發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)五(Rhea)和土衛(wèi)八(Iapetus)之后,月亮也被從行星中除名。但是這些新發(fā)現(xiàn)的土星和木星的衛(wèi)星最初也被稱為行星,因為衛(wèi)星一詞(moon)當(dāng)時只被用來稱呼月球。
在1781年,天文學(xué)家威廉?赫協(xié)爾于搜尋雙星時,在金牛座中發(fā)現(xiàn)一顆他認(rèn)為是彗星的天體,當(dāng)時他沒有想到這個天體會是一顆行星。因為完美的宇宙中只有五顆行星的觀念深植在當(dāng)時的科學(xué)界中。但是,不同于彗星的是,這個天體以接近圓的軌道在黃道面上繞著太陽。最后,這個天體成為太陽系的第七顆行星,并被命名為天王星。
1846年海王星的發(fā)現(xiàn),是由于造成天王星軌道不規(guī)則的變化,科學(xué)家認(rèn)為這是由于天王星外尚有其他行星,其引力造成的天王星軌道的擾動。但海王星軌道的計算位置也與觀測位置不能符合,這導(dǎo)致了1930年冥王星的發(fā)現(xiàn)。后來發(fā)現(xiàn)冥王星的質(zhì)量太小,不足以造成海王星的軌道擾動,但航海家2號測量的結(jié)論是海王星的質(zhì)量被高估了。
冥王星的一些特征不同于舊有的行星:軌道不能被視為圓形、質(zhì)量不足以造成軌道攝動、而且不在黃道面上。天文學(xué)家因此開始思考如何給行星一個定義。
小星或小行星
被威廉·赫歇爾意外發(fā)現(xiàn)的天王星似乎確認(rèn)了波德定律,一個關(guān)于行星軌道半徑分布的數(shù)學(xué)函數(shù)。雖然天文學(xué)家認(rèn)為這只是無意中的巧合,但是天王星的位置與預(yù)測的數(shù)值非常接近。由于這個定律也預(yù)測在火星與木星之間有未被觀察到的天體,于是有些天文學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)移至這個區(qū)域,希望能發(fā)現(xiàn)新的行星。終于,在1801年,一個嶄新的世界登上了舞臺,谷神星被發(fā)現(xiàn)了,它正好位在預(yù)測的空間上。當(dāng)時它被認(rèn)為是一顆新的行星。
然后,在1802年,奧伯斯發(fā)現(xiàn)了智神星,這是與谷神星到太陽的距離幾乎相同的第二顆行星。兩顆行星在同一個軌道上的想法在當(dāng)時是不被認(rèn)同的。但數(shù)年后婚神星也在相近的距離上被發(fā)現(xiàn),而往后的數(shù)十年中,更多的天體在這個區(qū)域內(nèi)被發(fā)現(xiàn),它們與太陽的距離也都幾乎一樣。
因此,天文學(xué)家威廉·赫歇爾建議分出一類新的天體:小星(asteroids,意思是“類似星星”,因為這一類星體都很小,看起來像恒星而看不出像行星的盤面),不過當(dāng)時多數(shù)的天文學(xué)家還是喜歡將他們稱為行星,赫歇爾的提議并未被廣泛接受。在赫歇爾過世的1828年,科學(xué)課本中仍然稱這些小天體為行星。
到了1851年,小天體的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到15顆,于是科學(xué)家發(fā)明了新的方法來區(qū)分這些天體,就是在名稱前面加上序號,而在無意間產(chǎn)生了新的類別。到了1860年代,歐洲與美洲的觀測者已開始稱這些天體為小行星(minor planets或small planets)。話雖如此,還是花了許多時間才完成將這些小天體分類的工作。1930年,冥王星在被發(fā)現(xiàn)之后很快的被歸類為行星,于是冥王星的特性就不斷地被拿來與谷神星比較,開始了漫長的名位之爭。冥王星是一個冰凍的小天體,卻反常的出現(xiàn)在氣態(tài)巨行星所存在的環(huán)境中。冥王星的軌道不僅偏離了黃道平面,還會切入海王星軌道的內(nèi)側(cè)。然而,在當(dāng)時它是海王星之外唯一為人所知的似行星天體。到了1992年,天文學(xué)家在海王星之外發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多,而結(jié)構(gòu)與體積和冥王星相似的冰凍小天體??茖W(xué)家們認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)了長久以來預(yù)測的柯伊伯帶(有時稱為契形古伯帶),這是短周期彗星,像是哈雷彗星,這種周期短于200年的彗星,來源的冰凍碎片帶。
冥王星的軌道位于古柏帶的中間,因此,它的行星身分受到了質(zhì)疑;谷神星因為與其它的天體共同擁有的相似軌道而喪失行星身份的先例,讓許多學(xué)者認(rèn)為冥王星應(yīng)該重新歸類為小行星。加州理工學(xué)院的米高·布朗就建議:“在太陽系中的行星應(yīng)該是質(zhì)量大于在相似軌道上其他天體的質(zhì)量總和的天體”。"雖然在1999年,國際天文聯(lián)會明白的表示還不到改變冥王星身分的適當(dāng)時機,但布朗建議的這條質(zhì)量限制指出了主要的行星將只有八顆,也宣示了冥王星將被降級的遠(yuǎn)景。
在其他一些大小與冥王星相似的外海王星天體,像(50000) 創(chuàng)神星和(90377) 塞德娜被發(fā)現(xiàn)后,又挑起了冥王星不能例外于外海王星天體的議題。在2005年7月29日,米高·布朗和他的小組宣布她們發(fā)現(xiàn)了比冥王星更大的天體,臨時的名稱是2003 UB313。雖然發(fā)現(xiàn)者和許多的新聞媒體立刻稱呼該星體為第十顆行星,但是在正式的文件上,它仍然被認(rèn)為是一顆小行星,使用的是臨時名稱2003 UB313,表示是在2003年10月下半月被發(fā)現(xiàn)的第7827顆小行星。
辯論
2006年行星重定義2003 UB313的發(fā)現(xiàn)迫使國際天文聯(lián)合會必須正視這個問題。在2005年10月,IAU第19工作小組的成員經(jīng)由投票,將可能的行星定義縮減成三條簡短的文字,做為建議案提出。這些定義如下:
行星是直徑大于2,000公里,在軌道上環(huán)繞太陽的任何天體。(11票贊成)
行星是任何外形已經(jīng)在重力作用下穩(wěn)定,并且環(huán)繞太陽運轉(zhuǎn)的天體。(8票贊成)
行星是在環(huán)繞太陽的軌道上,能統(tǒng)治鄰近范圍內(nèi)天體的任何天體。(6票贊成)
因為沒有達(dá)成整體一致的意見,委員會決定將這三個定義交由2006年8月在捷克布拉格舉行的IAU會員大會來表決,并且在2006年8月24日,作為大會最后的議題來投票。IAU結(jié)合了這三條可能的定義做成了兩個提案,作為大會最后的投票案。這個提案在“行星”和“巖石”(或是太陽系小天體)之間創(chuàng)造了一個被稱為矮行星的新分類,并將冥王星列名于其中,似乎是要將小行星這個分類給廢棄掉。雖然只有474位天文學(xué)家在最后參與了投票,這個議案還是被通過了。
國際天文聯(lián)會議決,太陽系中的行星及其他天體將以下述知方法,被分成三個不同的類別:
(1)行星 ? 是這樣的一種天體:
(a) 在軌道上環(huán)繞著太陽。 (b) 有足夠的質(zhì)量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現(xiàn)流體靜力平衡的形狀(接近圓球體)。 (c) 將鄰近軌道上的天體清除。 (d) 未能發(fā)生核聚變。 (2)矮行星是一種天體:
(a) 在軌道上環(huán)繞著太陽。 (b) 有足夠的質(zhì)量,能以自身的重力克服剛體力,因此能呈現(xiàn)流體靜力平衡的形狀(接近圓球體)。(c) 未能將鄰近軌道上的天體清除。 (d) 不是行星的衛(wèi)星。 (3) 所有環(huán)繞太陽的其他天體都?xì)w類到太陽系小天體。
IAU 進(jìn)一步的決議:
依據(jù)上述的定義,冥王星是一顆矮行星,并且是新分類的海王星外天體中冥王星群的樣板。
留下的爭論
盡管定義已經(jīng)被正式的認(rèn)可,有些問題還是未能解決。定義看似隨意撰寫和糾纏不清,并且許多“支持冥王星是行星”的擁護(hù)者,包括美國航空航天局前往冥王星的探測新地平線號探測器任務(wù)的主持人艾倫·史騰(Alan Stern),串連了一批天文學(xué)家提出修改定義的請愿。他們的主要論點是:因為只有不到5%的天文學(xué)家投票支持新的定義,所以此一決定不足以代表全體天文學(xué)家的意見。而即使排除了此一爭議,定義之中仍然有含糊不清之處。
“清除鄰近區(qū)域”
“清除鄰近區(qū)域”(Clearing the neighbourhood)是指這顆星體是它的軌道里最大的那顆星體,而這顆星體要有足夠的質(zhì)量把它軌道里的其他星體清除,這就好像在一片鋪平的鐵屑之中,用一塊磁鐵沿一直線掃過這片地帶。這塊磁鐵會沿路吸取更多的鐵屑而變得越來越大。我們太陽系中的巨大氣體行星就是這樣形成的:巨大的引力使它周圍的星體都紛紛撞到它的表面上。
但是部分科學(xué)家認(rèn)為“清除鄰近區(qū)域”一詞本身的含意就不是相當(dāng)明確,艾倫·史騰反對并認(rèn)為不可能在行星和矮行星之間劃下一條明確的界線,因為不僅地球、火星、木星,即使海王星也未能完全清除在他們附近的碎片,在IAU的定義下沒有一個天體可以成為行星。他在新近出版的著作中,對此提出了抗辯,他寫道:“我們定義了überplanet,是一種像行星一樣環(huán)繞著恒星的天體,在動力學(xué)上的重要性是足以清除鄰近區(qū)域的微星體,……并且我們也定義了unterplanet,是不能如此做的天體...”在之后,還有一些短評:“我們的太陽系明顯的有8 顆überplanets和為數(shù)眾多的unterplanets,其中最大的是冥王星和谷神星。”
在他的文章主題上,史蒂芬·索特給了一個定義,實際上,這是麥克?布朗以質(zhì)量為主要依據(jù)的定義:如果一個天體的質(zhì)量百倍于軌道帶上剩余的質(zhì)量,他便是一顆行星。如果兩顆天體與恒星有相同的距離,或是為首的這顆與另一顆的軌道周期差異少于一個數(shù)量級,這兩顆天體就是共享一個軌道帶。換言之,如果兩個天體與恒星有相同的距離,各自在軌道的一個點上,這兩者的軌道是相似的,即使彗星也是,距離數(shù)倍于另一個天體,都能算是在相同的軌道帶上。
假設(shè)這樣的鄰近區(qū)域的定義最終被IAU接受了,他仍然不是明確的觀念(定義)。他未從構(gòu)造和成因來定義行星,只是在位置(地點)上給了有效的定義。因此,在這個定義下,冥王星,甚至在單獨軌道上更小的天體,都可以稱為行星;而更大的,但靠近另一個天體,卻將被歸類為矮行星。
流體靜力平衡
國際天文聯(lián)會(IAU)的行星定義要求行星有足夠的質(zhì)量能以自身的重力達(dá)到流體靜力平衡的狀態(tài),這意味著她們的形狀要成為球形,如果不是,也要成為類球形。這種分別,與嚴(yán)格的球體相對,是基于太陽系內(nèi)許多大天體的實情,像是木星和土星、米瑪斯、土衛(wèi)二、米蘭達(dá)和柯伊伯帶天體妊神星,已經(jīng)因為快速的自轉(zhuǎn)或潮汐力的作用變形成為扁球形或長球形的類球體。然而,要決定在太陽系中的天體哪些是球狀的或類球狀的,似乎比定義更復(fù)雜。以數(shù)學(xué)的說法,類球體是由繞軸旋轉(zhuǎn)的橢圓來規(guī)范的,必然的會有兩根一樣長的軸和另一根長一些或短一些的軸,他們似乎是在一個維度上被扭曲的球體(通過舒展或擠壓)。于是,從其中一個軸的方向看是圓形,但從另外二個軸的方向看則是橢圓形。然而,所有的類球體都可能從某一個點看似有平滑的外觀(形成圓或橢圓的截面)。對一個在地貌學(xué)上被認(rèn)定是不規(guī)則天體也可能只是估計的,可是,考慮這樣的不規(guī)則性,就存在天體之間互相對比的定義了,像是這些在本質(zhì)上是球體,但外觀卻是不規(guī)則的天體:海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)八,他的邊緣就沒有顯露出平滑的曲度。
如果僅使用數(shù)學(xué)的論述來定義球體,那么這些在太陽系中明顯因遭受到折磨,而介于球狀和不規(guī)則之間的天體,就像下面的表中的天體,該如何歸類:
參考資料 >
第一份草案曾提兩大標(biāo)準(zhǔn) 行星定義困擾天文學(xué)者.tech.sina.com.cn.2019-07-12
科技日報:國際天文聯(lián)合會的行星之爭.tech.sina.com.cn.2019-07-12