大多数人心目中的“行星”,都是传统定义下的行星:它们围绕恒星运动,靠反射恒星的光发光,体积比小行星大。虽然这个定义可能并不十分精确,但它已经能够把我们当时所知的天体清楚地划分开来。

然而,到20世纪90年代,一系列引人注目的新发现,让这个行星定义站不住脚了。在海王星轨道以外,天文学家发现了数百个冰质天体,其中一些还相当大,它们占据着一个环状区域——“柯伊伯带”(Kuiperbelt)。在其他恒星的周围,人们又发现了其他行星,其中许多行星的轨道和太阳系行星的轨道大相径庭。

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(1)

他们还发现了褐矮星(模糊了行星和恒星的界线),以及在黑暗的星际空间中,孤身游荡的类行星天体。这些发现引发了一场争论:到底什么是行星?最终,国际天文学联合会(IAU,天文学家们的主要专业团体)在2006年8月修改了行星的定义:围绕恒星转动,拥有足够大的质量进而呈球形,“已经清空了其轨道周围邻近的区域”(关键判据)的天体。新定义把冥王星逐出了行星的行列,人们为此争论不休。

一些天文学家拒绝使用这个新定义,还将发表一份抗议声明。这不只是一场有关遣词用字的争论,而是一场重要的科学论战。新的行星定义,折射出我们对太阳系及其他行星系统结构的认识取得了进步。这些行星系统在旋转的气体盘中通过吸积过程形成:小颗粒聚集形成大颗粒,大颗粒进一步聚集成更大的物质团块……这一过程最终会产生寥寥几个大质量天体——行星,和大量的小天体——小行星和彗星(行星形成过程中的残骸)。简言之,“行星”并非一个随心所欲的人为分类,而是自然界中一类真真切切的天体。

从“地心说”时代把太阳、月亮、水星、木星、金星、火星、土星归类命名为行星开始,中间加加减减,修改行星定义的情况也早有先例迈入21世纪后,越来越多、越来越大的柯伊伯带天体(KBO)闯入人们的视线,如果冥王星也算行星,那这些天体是不是也要归在行星一类?

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(2)

划分地盘,原先提出的球形判据虽然能保住冥王星的位子,但无法量化。所幸,自然界早已提供了划分标准——行星有能力清空自己所在的轨道区域,统治自己的地盘。

为了避免行星数目没完没了地增加,2000年,美国西南研究所的阿兰·斯特恩(AlanStern)和哈罗德·利维森(HaroldLevison)建议,行星可以被定义成:质量小于恒星,但又大到足以使自身的引力克服结构刚性而呈球形的天体(当天体的质量达到一定程度,强大的万有引力就能战胜其他力量,把天体压到接近球形。

因为只有球形才能使表面上的任意一点到中心的距离都相等,没有任何一部分可以进一步地“掉”向中心)。绝大多数半径超过几百千米的天体都满足后一个条件。较小天体的形状通常不规则,其中不少基本上只是巨大的石块而已。美国哈佛大学的欧文·金格里奇(OwenGingerich)领导的IAU行星定义委员会比较拥护这个定义。

它保住了冥王星的行星地位,但也要付出代价:可能将有不少KBO加入行星的行列,谷神星(Ceres,目前已知最大的,也是唯一呈球形的小行星)也要升级成行星。许多天文学家指出,球形判据不充分。

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(3)

从实践上讲,很难观测到KBO的形状,因此还是无法划分。另外小行星和KBO形状各异、大小不一,我们如何才能量化用于界定行星的球形程度呢?如果设定一个天体的形状偏离球形1%,也算引力完全支配了这个天体,那么偏离10%,还算不算?大自然并没有提供区分球形和非球形的界线,这样的界线都是人为主观划定的。不过斯特恩和利维森还提出了另一个判据,可以精准地划分天体。他们注意到太阳系中的一些天体质量较大,由此清除或散射了它们邻近的天体(小天体受到行星的引力干扰,脱离原有轨道,被排挤到其他地方)。而小天体只能在动荡的、不稳定的轨道上运行,或者由大质量天体帮助它们维持轨道稳定。

以地球为例,近地小行星之类的天体如果太接近地球,就会被地球清除或散射掉。同时,它还保护自己的卫星免遭清除或散射。4颗巨行星也控制着各自的一群卫星。木星和海王星通过稳定的共振,在特定轨道上维持着它们的小行星族——特洛伊小行星(Trojan)和KBO族——微型类冥行星(Plutino)轨道的同步性,避免了小天体和行星之间的碰撞。这些动力学效应为定义行星提供了一条可行之道:行星是一个质量大到足以通过散射、直接碰撞来清除小天体,或通过把小天体控制在稳定轨道上,来支配自己轨道区域的天体。按照基本的物理规律,大质量天体在太阳系形成至今的将近50亿年内,散射小天体的概率与它质量的平方(表征大质量天体散射小天体的能力)成正比,与它的轨道周期(反映了交会发生的概率)成反比。

从水星到海王星,8颗行星清除和散射小天体的能力是最大的小行星和KBO[包括谷神星、冥王星和阋神星(Eris,此前音译为厄里斯,目前尚未确定正式译名,这里采用了天文学名词审定委员会赵君亮教授提出的译法)]的数千倍。水星和火星自身的质量并不足以散射周围所有的天体,但水星依然可以清除绝大部分近距离穿越水星轨道的小天体,而火星的引力也足以把飞临的天体逼上不稳定的轨道,这其中也包括了一些与木星呈1:3或1:4轨道共振的小天体(当两个天体的公转周期成简单整数比关系,它们之间互相受到周期性引力影响,出现轨道共振)。只要这些天体被散射到不稳定的轨道上,木星就会帮助火星将它们驱逐出境。一个天体的动力学状况决定了它清空邻近区域的能力;这并不是天体内在固有的特性。

但动力学能力上的巨大差异让行星和其他天体看起来泾渭分明。我们不需要人为划定界线,因为大自然已经帮我们做到了这一点(至少在太阳系如此)。

统治轨道区域行星有能力清除异己,庇佑自己的卫星和其他臣服于它的小天体。这些“臣民”有幸与“国王”共享轨道,但它们的重量全部加起来也不及行星重量的千分之一,在这一点上,小行星和KBO望尘莫及。

2004年,美国加州理工学院的天文学家迈克尔·布朗(MichaelBrown)提出了一个相关的判据。他认为“太阳系中的任一天体,只要质量大于和它具有相似轨道的其他天体的质量总和”,就可以定义为行星。为了更确切,我建议把“相似轨道”改成“轨道区域”(orbitalzone)。如果两个天体的轨道相交,轨道周期相差小于10倍,并且没有处于稳定共振中,那么它们就共享了轨道区域。为了应用这个定义,我调查统计了所有已知的围绕太阳运行的小天体。

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(4)

例如,地球和大约1,000颗直径超过1千米的小行星分享轨道,其中绝大部分来自火星和木星之间的主带小行星带,这些小行星的质量加起来不足地球质量的0.0001%。我们可以用μ来表示一个天体的质量与跟它共享轨道的所有天体的质量和的比值。地球的μ值约为170万——这似乎是太阳系中最高的。

木星的质量是地球的318倍,但它和一大群小天体分享轨道。行星中数火星的μ值最小(5,100),不过,这个数字也远远大于谷神星的0.33和冥王星的0.07(见上一页的图表)。可见,行星与小行星、KBO之间有着巨大的差异。冥王星显然是一颗KBO。这些论据说服了IAU,他们决定采用“清空”邻近轨道来定义行星。为了完善定义,IAU可能需要确定一个界限——一个天体清除其他天体,要清除到什么程度才称得上行星。我建议将μ值的界线设在100。

这意味着,在太阳系中,如果一个天体占据了其轨道区域中超过99%的质量,那它就是行星。其实,确切的取值并不重要,从10到1,000之间任选一个数值,效果都一样,因为除了8颗行星以外,其他天体都差得远。

因此,行星是一个已经清空或者散射掉轨道区域中绝大部分质量的天体。行星和非行星之间的巨大差异,正体现了太阳系演化的重要特点:太阳系里所有的天体都诞生于一个围绕原始太阳转动的扁平的尘埃气体盘中。它们的形成是自主扩张的过程(体积越大,成长速度就越来越快,引力作用范围也急剧拓宽),最后会形成统治着大片轨道区域的单个较大的天体,不会出现天体大小呈连续分布的情况。

较小的天体则会被驱逐出太阳系,或者掉入太阳,幸存下来的就是我们今天看到的行星。而小行星、彗星,包括KBO,都是剩下的残骸。我们的太阳系现在处于吸积过程的扫尾阶段。如果轨道相交,小行星也可能会撞上行星,或另一颗小行星。柯伊伯带是原始吸积盘外延的遗迹,那里的物质由于过于松散,无法聚集形成行星。

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(5)

太阳系中行星的轨道不存在交叉,不可能发生碰撞。作为动力学上占支配地位的天体,它们必定是少数派。如果另一颗行星妄图挤进早已存在的行星之间,引力摄动最终会让它的轨道变得不稳定。在其他行星系统中也出现了类似的情况。

到目前为止,天文学家已经发现了20个多行星系统。绝大多数情况下,行星的轨道互不相交,只有3个例外。这3个相交的轨道看来处于共振状态,也不至于发生碰撞。在所有已知的类太阳恒星系统中,中心恒星的非恒星伴星(比如褐矮星之类)都大得足以散射附近的小天体,根据动力学支配判据,这些伴星也可以归为行星。

游戏结束,新的官方定义抓到了关键判据,种种争议都能在这个定义中得到比较圆满的解答。文化和传统留不住冥王星,教科书也要改改了,不变的是不断追求真理的科学精神。

实际上,行星是在恒星周围的吸积盘中形成的,是吸积过程的最终产物。这个定义只适用于吸积过程已经完成的成熟系统,例如我们的太阳系。

行星怎么算出来的(怎么才算有资格称之为行星)(6)

对更年轻的系统而言,吸积过程仍然发挥着重大作用,严格地讲,那些系统的吸积盘中最大的天体还不能被称为“行星”,应该被称作“行星胎”(planetaryembryo),更小的天体则应当叫做“星子”(planetesimal)。严格说来,没必要强调球形,但IAU还是把它纳入了新定义。轨道清空判据已经足以区分行星和小行星以及彗星。这个定义还去掉了行星的质量上限(也就是行星区别于褐矮星和恒星的界线)。相对罕见的近距离围绕恒星的褐矮星可以归为行星;人们认为它们是通过盘吸积形成的,而轨道更大的褐矮星的成因不同。简言之,无论在理论上,还是在观测上,行星和非行星的差异都是可以量化的。

太阳系中的所有行星都具有足够的质量来清除或者散射其轨道区域中的原始星子。现在,每颗行星的质量至少都是附近所有残骸质量总和的5,000倍以上。相对地,小行星、彗星和KBO(包括冥王星)总是处于与之相当的一大群天体中。反对的人争辩道,天体应该按照它们的内在固有特征来分类,而不是按照位置和动力学特征。

他们或许没有注意到,卫星就是这样定义的:所有围绕行星运动的天体都归为“卫星”,虽然有两个卫星的个头比水星还要大,还有不少是被俘获的小行星和彗星。动力学特征和位置显然很重要。实际上,在太阳系中,行星到太阳的距离早已决定近一点的天体是较小的岩质行星,而距离较远的是富含挥发性冰和气体的巨行星。因此,为了区分行星和太阳系小天体,新定义采用了动力学支配轨道区域的判据也同样无可厚非。8颗行星是盘吸积过程中占主导的最终产物,明显有别于小行星和KBO。

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九大行星的定义无疑具有强烈的情感吸引力,但上一辈在冥王星身上使用的定义,无法表达20世纪90年代初以来,我们对太阳系起源和结构认识的深刻变革。76年来,学校一直教导孩子们:冥王星是一颗行星。一些人认为文化和传统足以挽留冥王星,但科学容不得过去错误的束缚。为了使科学的定义发挥作用,应该以自然结构为依据下定义。新发现引起了人们的认识变革,现在有必要对此作出反应,修改行星定义。行星定义的争论为教育者提供了一个绝佳的范例:科学概念并非一成不变,它一直在进步。

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