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。
定义
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,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。
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。
历史
在星座间穿行
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。
古人观察星空,发现天体分作两类:一类固定在
天球上,组成各个星座,形成一幅永恒的天空背景,称之为
恒星;另一类天体在
黄道附近运行,不断穿过黄道上的十二个
星座,称之为行星。这些行星包括七颗,分别是
太阳和太阴(月球),以及金木水火土五个肉眼可见的经典行星。它们在天空中极为特殊:一方面,它们不断运行,不断进入不同的星座;另一方面,它们极为明亮,全天成千上万颗星体中,七颗行星亮度分别排行第1,2,3,4,5,6,9。
围绕太阳公转
在
日心说取代
地心说成为被普遍接受的
天文学理论时,大家认识到太阳不动而
地球在运行,因此地球就取代了太阳的地位成为
行星,太阳则被归入
恒星。
在1610年
伽利略·伽利莱发现木星的
卫星(史称
伽利略卫星)、1659年发现
土星的卫星
土卫六、1673年又发现
土卫五(Rhea)和
土卫八(Iapetus)之后,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。卫星的概念在稍后逐渐被接受,很快行星被限定必须直接围绕
太阳运行,因此月球也被排除在行星行列之外。
最终,日月金木水火土七大行星变为地金木水火土六大行星。
新的限制
第七颗
行星天王星被发现: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。
1801年,
谷神星被发现,有长达49年之久的时间被称为第8颗行星;随着一颗又一颗越来越小的
小行星被发现,天文学家发现不能继续用行星这一概念指代体积如此微小而数量如此庞大的天体群体,因此1850年,天文学家把所有这一系列小天体,包括谷神星归于小行星,其行星地位被免除。同时行星的定义出现新的变化:并非所有直接绕
太阳公转的
天体都是行星,行星必须“足够大”且“卓尔不群”。
第八颗行星
海王星被发现: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。
1930年,
冥王星被发现,有长达76年之久的时间被称为第9颗
行星;20世纪末,随着一颗又一颗大大小小的
外海王星天体被发现,使得冥王星与当初
谷神星的地位非常相似,而最终命运也相同:它也因尺寸太小,且发现一系列更小的同类型星体(还包括一颗较大的同类型星体
阋神星),而于2006年被降格为
矮行星。冥王星的行星地位之争,把原有不成文的概念确立成准确定义:直接绕
太阳公转、
流体静力平衡(足够大)、清空其轨道(卓尔不群)。
小星或小行星
被
威廉·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,
海因里希·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
威廉·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。
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
气态巨行星所存在的环境中。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
柯伊伯带(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”。"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。
在其他一些大小与
冥王星相似的
外海王星天体,像(50000)
创神星和(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,临时的名称是2003 UB。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 UB,表示是在2003年10月下半月被发现的第7827颗小行星。
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 UB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)
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,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。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 是这样的一种天体:
• (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。
• (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)。
(3) 所有环绕
太阳的其他天体都归类到
太阳系小天体。
注脚:
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。
现行包括
太阳系内大多数的
小行星、海王星外天体、
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,并且是新分类的海王星外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
美国航空航天局前往冥王星的探测
新地平线号探测器任务的主持人艾伦·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。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。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。”
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。
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
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
木星和
土星、米玛斯、
土卫二、米兰达和
柯伊伯带天体
妊神星,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
地貌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。
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
土卫二(土卫二),主要由冰组成。
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
土卫二 (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
柯伊伯带的
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。
木星和土星也因为快速的自转成为扁圆形,米玛斯、
土卫二、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。
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。
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
土卫六两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,分享着相同轨道的
天体,是否也应该被称为行星。
太阳系外行星
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700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。
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。
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。”相似的,在轨道上的
伴星,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。
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)。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
海卫一成为行星。
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。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
散逸层组成: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,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。
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。
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。
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)。
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。
太阳系小天体
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,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
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。
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
威廉·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
威廉·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。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
气态巨行星所存在的环境中。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
柯伊伯带(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”。"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。
在其他一些大小与
冥王星相似的外海王星天体,像(50000)
创神星和(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,临时的名称是2003 UB313。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。
辩论
2006年行星重定义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)
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,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。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 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)。(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都归类到
太阳系小天体。
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
海王星外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
美国航空航天局前往冥王星的探测
新地平线号探测器任务的主持人艾伦·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。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。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。”
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。
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
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
木星和
土星、米玛斯、
土卫二、米兰达和
柯伊伯带天体
妊神星,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
地貌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。
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: