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[行星]曾经的第九大行星,会再次成为“行星”吗

  为什么只有三种类型的行星?为什么不为中型行星上课呢?原因在于太阳系形成的两个基本事实。在太阳系形成的大气体云中,1)温度越来越远离太阳(当你离开篝火时感觉凉爽)2)不同元素的数量因井而异- 定义分布(宇宙丰富的元素)。宇宙中最丰富的元素(到目前为止)是氢; 下一个最丰富的化学反应性(非惰性)元素是氧。结合它们,你得到H 2 O - 水。

  随着年轻太阳周围的盘状气体云开始冷却,相对少量的金属和岩石开始凝结。更远的地方,除了温度较低的“雪线”外,水冰凝结成“雪花”。这些薄片相互碰撞,有时会粘在一起形成雪球。随着雪球相互撞击并长大,一些雪球积累了足够的质量,以至于它们的重力可以保持氢气,这是最轻和最丰富的元素。很快,较大的雪球变成了巨大的行星。

  冥王星和卡戎被广泛认为是柯伊伯带中最大的天体之一,这是一个巨大的冰层物体,位于海王星轨道的外面,并从太阳延伸到大约50个天文单位。柯伊伯带被认为是大多数短周期彗星的来源 - 那些轨道短于200年的彗星 - 因此科学家们真的想要将冥王星和卡戎的成分和表面特性与彗星核的成分和表面特性进行比较。

  外行星与内行星“外行星”一词指的是绕太空运行带绕太阳运行的行星,包括木星,土星,天王星,海王星和冥王星。内行星是水星,金星,地球和火星。有小而岩石的内行星(水星,金星,地球和火星 - 有时被称为陆地行星); 巨型气体外行星(木星,土星,天王星和海王星,也称为木星行星); 和矮行星,如冥王星和谷神星。冥王星及其月亮卡戎拥有坚固的表面,但与陆地行星不同,其质量的很大一部分是冰冷的物质(如冷冻水,二氧化碳,分子氮,甲烷和一氧化碳)。

  外太阳系的物体:外太阳系物体的质量与距离图显示了这些物体的大小范围,从木星(地球质量的318倍)到彗星(不到地球质量的十亿分之一)。冥王星,卡戎和海王星的卫星Triton落在1/100到1/1000地球质量范围内。请注意,一些柯伊伯带天体似乎比行星小得多,但比彗星大得多。陆地行星,气体巨人和矮行星。

  一个“卫星系统”卫星或卫星绕其父行星运行。当有一个以上的月球时,人们可以参考“卫星系统”,这个术语用于所有的天然气巨行星。在卫星系统中,倾斜通常用于区分与行星同时形成的卫星,创造类似“微型太阳系”的东西,卫星在与行星赤道几乎重合的平面内轨道运行,以及后来被捕获的卫星,其轨道平面相对于行星的赤道高度倾斜。木星系统就是一个很好的例子。点击此处了解有关伽利略卫星作为常规卫星的更多信息。

  在“雪线”(被认为是大约3-5个天文单位)里面,它太温暖了,没有丰富的水凝结; 它仍然是一种蒸汽。只有金属和岩石凝聚 - 由于这些元素在宇宙丰度中很少见,所以没有太多的物质可以凝结。因此,在太阳系内部,我们只有小而多岩石的行星。在最外层的太阳系中,除了巨行星之外,不仅水冻结,而且其他丰富的分子(如二氧化碳,甲烷和氮气)也是如此。但是,在外太阳系中,没有足够的“东西”和/或时间来积累比矮行星更大的物体。

  科学是一个基于运用习得的知识来不断进行提问、假设、挖掘、交换最新发现的过程。科学发现是依赖于对事物进行推测实验而发展的。科学家们通常会有彼此工作批判性的不同的了解和质疑,我们将这个过程称为同行审查。

  随着我们的知识水平加深、知识面变广,更加复杂迷人的宇宙也将呈现在我们眼前。研究者们已经发现上百个太阳系外的行星或者说太阳系外部的行星存在于太阳系之外。也许仅仅银河系中就有上十亿个系外行星,或许还有宜居星球(有条件适合人类生活)。我们对行星的定义能否应用于新发现的天体还有待考证。

  2.矮行星是具有以下特征的天体:(a)绕恒星运转(b)有足够大的体积以产生地心引力,克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球体)(c)无需清除轨道附近其他天体(d)不是卫星。

  这个问题看似简单,实际上却并不简单。我们都知道地球、火星和木星是行星,但关于如何正确命名曾经被认为是行星的冥王星和1号小行星科瑞斯的问题,又一次引起了科学界的辩论,这场激烈的辩论一直持续到了今天。行星判定的最新标准在2006年发布,由国际天文协会给出三个标准:

  1930年,人类发现冥王星,并将其视为第九颗行星。但,冥王星比水星小很多,甚至比一些行星的卫星还要小。冥王星不像是类地行星(如水星、地球、金星、火星),不像是气态巨行星(如木星、土星),也不像是冰巨星(如天王星、海王星)。卡戎是冥王星的大卫星,它几乎有冥王星的一半大,并绕其轨道运行。虽然冥王星在20世纪80年代保持了其行星地位,但在20世纪90年代,人类有了一些新发现。

  重新定义行星

  3.行星的体积一定要达到其产生的地心引力能够扫除公转轨道周围绕日运行的其他天体,并在此区域内个头最大。

  当代观测正在改变我们对行星系统的理解,值得关注的是,我们对天体的命名能够体现出我们现时的理解水平。这个观点在“行星”的命名上表现得尤为明显。“行星”原本的意思就是移动,也可以说是天空中移动的光。近期的发现正引导着我们去创造新的定义,在创造新定义的过程中我们可以拥有最新的科学发现。

  接着,2005年,一个天文学家小组宣布他们发现了第十颗行星——这颗行星在柯伊伯带中,大小与冥王星类似。人们开始好奇行星真正的意义,至少想弄清楚什么是行星。突然间,对人们来说,这个问题的答案好像没有那么不言而喻,反而出现了很多分歧。

  1.行星是具有以下特征的天体:(a)绕恒星运转(b)有足够大的体积以产生地心引力,克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球体)(c)清除轨道附近其他天体。

  天文学家和行星科学家并非全体都认同这些定义。一些人认为这种分类方式限制了行星数量,还有一些人认为这些定义不够清晰全面。一些天文学家认为行星的位置(环境)很重要,尤其是在理解太阳系的形成和发展的过程中。

  有一种观点是将行星定义为体积足够大来形成引力使其维持近似球体形状的天体。然而一些科学家反对,他们认为这个简单的定义不能将天体需要的球状接近程度表达清楚。事实上,看清许多远距离天体的确切形状都是有困难的。 其他科学家认为天体所在位置和构成非常重要,不应该与力学有关 ,也就是说,无论天体是否清除附近天体,抑或是它们按照固定轨道运行,人类对行星的生动讨论都会持续发展。

  我们对家园和宇宙的理解也一直在变化着。新的信息会让我们重新思索着我们的所知,重新评估我们对事物的分类,这样我们才能更全面地了解这个世界。新的视角和新的发现来自于对理论的质疑或者分级分类理论自身的更新。

  3.其他除卫星外所有绕日旋转的天体都被集合称为“太阳系小天体”

  1801年,人类在火星和木星之间发现了谷神星,起初,人类认为谷神星属于行星。但随着更多的天体在同一区域持续被发现,人们认识到谷神星是某一类相似天体中首个被发现的,并最终将其命名为矮行星(星状)或者少数行星。

  行星争论

  科学进程

  望远镜方面的技术进步使观察探测更小更远的天体成为了可能。20世纪90年代初,天文学家探测到了许多围绕太阳轨道的低温的星球 ,这些星球在一个甜甜圈状的区域内,这个区域处在海王星轨道之外、冥王星范围之内,人类叫它们柯伊伯带。随着柯伊伯带和数以千计的低温星球被人们发现(人们叫他们柯伊伯带天体,或者叫海外行星),有人提出可以不将冥王星看成行星而将其看做最大的柯伊伯带天体。

  这是天文协会的文件:分辨率B5:太阳系中行星的定义

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  如何定义“行星”这个术语是十分重要的,这反映了我们对太阳系的起源、构造与发展的理解。在历史长河中,对于行星的判定有过不少变化。古希腊学者将月球、太阳连同水星、金星、火星、木星和土星认为是地球的行星。那时人们并不将地球当成行星,而是中心天体——其他行星都绕其轨道运转。公元前三世纪,爱琴海萨摩斯岛(Samos)的阿里斯塔克斯(Aristarchus)建立了第一个以太阳为中心、地球绕其转动的宇宙模型,遗憾的是,他的模型没有被人们广泛接受。直到16世纪,尼古劳斯·哥白尼(Nicolaus Copernicus)重新提出了这个观点。

  2.行星的质量一定要大到产生足够大的地心引力使其呈现球状。

  国际天文协会(IAU)是一个世界性的天文学家组织,他们接受了分辨出新发现的柯伊伯带行星(后来取名叫厄里斯星)的任务。2006年,天文协会通过了一个分辨行星的新决议:新增了一个条目——矮行星。天文协会确定了厄里斯星、谷神星、冥王星以及近期发现的柯伊伯带行星妊神星乌神星为矮行星。太阳系中也许还存在100颗其他矮行星以及百颗以上在柯伊伯带中或外部不远处。

  辩论与发现——接续发展

  17世纪,借力于望远镜的问世,天文学家们也认识到太阳是中心天体,而其他天体,包括地球,都是绕其轨道运转的。月球不是行星,而是地球的卫星。1781年,天王星被认为是行星。1846年,人类发现海王星。

  演变着的定义

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  1.行星一定要绕恒星轨道运行(太阳系中则是绕着我们在宇宙中的邻居:太阳)。

  这些讨论和辩论也将会随着我们对宇宙认知的加深而不断继续,结果也趋向于更加正确的认知。

  因此天文协会分析发现,太阳系中,行星和其他除了卫星之外的天体可用以下方式分为三种:

  这是一个棘手的问题,因为从某些层面上看,天文学就像房地产一样——几乎位置就是一切。假如水星位于木星的距离上,它就永远不能清除它的轨道,因此也就不能获得行星的“头衔”。如果地球出现在奥尔特云的某处,那地球也无法被称为一颗行星。然而,这么多非行星世界都被我们称之为加着前缀的“行星”,比如矮行星、流浪行星和系外行星。在早期阶段,我们还有原行星和星子。但是,在某种程度上,难道它们都不是行星了吗?

  博科园-科学科普|文:Ethan Siegel|来自:原理(principia1687)

  一些行星科学家将这一论点推至极端。他们认为位置应被忽略,并且如果你是一个大到足以使自己维持在流体静力学平衡状态的天体,那么恭喜你——你就是一颗行星。正如在上图中所看到的,这意味着假如我们观测太阳系中直径在10,000公里以下的天体,发现的行星就不止两颗(即火星和水星),而是109颗。在这种情况下,随着我们今后在柯伊伯带、或奥尔特云处发现越来越多的天体,行星的数量将还会进一步地飙升——或许会是成千上万。

  通过这三点,就能以优于99%的精确度来判断一个天体是否满足IAU对行星所设立的三个标准。

  ○ 2015 RR245的运行轨道与几个气体巨星以及其他已知的柯伊伯带上的天体相比。可以看出,与柯伊伯带中的其他天体相比,冥王星显得无足轻重。 图片来源:Alex Parker and the OSSOS team

  有人想要不顾一切地保住冥王星的行星地位,为此他们宁愿给每颗大到足够呈圆形的卫星、小行星和冰球,都赐予行星的标签。还有一部分人,认为只要这个天体的质量够大就可以称为一颗行星。但还有一部分人认为(包括我),一个天体在宇宙中的位置与它是什么密不可分。宇宙中没有什么东西是存在于真空之中的,无论它是行星、卫星、小行星、彗星、柯伊伯带的天体、还是奥尔特云的天体,它所处的位置决定了它大部分的属性。如果有人想忽略所有的这些,并宣称——“圆形就意味着是行星”,我认为是不可行的。与大多数事物一样,在行星身份问题上,完整的科学故事要更有趣得多。

  我承认,他们提出的观点在某些方面是有其优点的。当我们谈论一个天体的地质、大气和地球物理学属性时,实际上我们就是将它们都看作行星,并且将对这些世界进行的研究称为行星科学。当我们谈论这些世界的氧气含量、地壳、组成、或可居住可能性时,我们毫无疑问地称这些可测量的量为“行星属性”。仅在冥王星上,我们就知道它有云层、天气、雪、山脉、山谷、地质层、甚至还可能有地下海洋;它有五个卫星;它绕自己的轴自转;它有白天和黑夜、还有季节。如果忽略它的天文位置,那它就是一个彻头彻尾的行星。

  博科园:科学科普-天文学类

  ○ 有着各种各样奇异起源的流浪行星。 图片来源:Christine Pulliam / David Aguilar / CfA

  1. 行星的质量;

  因此,根据这个定义,由于冥王星还未清空其轨道附近的区域而被降级为矮行星。

  ○ Clyde Tombaugh 在1930年发现冥王星的原始图像。 图片来源:Lowell Observatory Archives

  但是,这时星系天文学家又站出来抗议了,因为星系中还存在着一些流浪行星呢。对于那些自诞生之时就没有母星、或出于某种原因而被“驱逐”出太阳系,从而根本没有母星可绕之公转的天体,它们就不是行星了吗?

  但到了2017年,一个科学家团队提出了对行星新增的一个新定义[1],这一举措或许将把冥王星重新拉回到行星行列。Alan Stern 和 David Grinspoon 在一本关于新视野号任务和“行星”冥王星的新书中支持了这一定义。

  在那些新发现的天体中,有一些比冥王星还大,还有一些则是在太阳系之外的其它恒星周围被发现的。而接踵而来的问题便是,所有这些新发现的天体都是行星吗?还是只有部分是?或是一个都不是?那冥王星是吗?IAU提出的定义似乎引发了许多的争议,很快就被证明它们并不充足。

  3. 最后,它必须清除其轨道上的其他天体,这意味着在相同的轨道上不能有其他相对较大的天体:即火星是一颗行星,但小行星和柯伊伯带上的天体则都不是。

  回到2006年,当时的国际天文学联合会(IAU)做了一件从未有人做过的事,他们要对天文学中最古老的术语之一——行星——进行科学定义。这是因为科学家在柯伊伯带以及更遥远的地方发现了越来越多的海王星外天体,再加上一些其他的原因,使其原来不胜明确的定义受到抨击。

  1. 行星必须具有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球形);

  有人说,如果不将冥王星,或小行星、彗星、卫星等称为“行星”,我们对它们的兴趣就会减少。我并不赞同这种论调。地球物理学的定义与天文学定义一样含有许多模棱两可之处:如果土星失去了它的气体,那剩下的圆形核心仍是一颗行星吗?

  系外行星天文学家有一个非常具有说服力的论点。为什么非得是绕着我们自己的恒星——太阳——公转的天体,才可以被归类为行星,而绕着其他恒星的天体却不能?这看起来是2006年的一个巨大疏漏,那时,距离我们发现系外行星已有十多年了。事后给出的理由是,无法确定一颗离我们那么遥远的行星是否已经清除了运行轨道。这一理由在2006年或许还能说得过去,但在9年后,加州大学洛杉矶分校的 Jean-Luc Margot 教授设计了一个通用的行星测试,天文学家可以不需要借助任何太空飞船就能定义某天体是否是行星!他们能遵循的只是以下三个简洁易测的参数:

  一个简单的事实是,当冥王星最初被发现时,对它的分类就是错误的;它与其他八个行星从来不在相同的地位。2006年IAU采取的举措是一次不完备的修复尝试。但 Kirby Runyon 和 Alan Stern 等人现在所采取的举措则是朝着相反的方向:它迈向了更混乱、更大的错误,这会让一个定义变得毫无意义。

  2. 行星绕母星公转的距离和周期;

  很显然,太阳系中的八大行星都符合,而小行星以及柯伊伯带上的天体就不符合。有趣的是,如果绕太阳公转的只有月球,而不是地-月系统,那么月球将刚好在行星与非行星之间的边界上徘徊。

  ○ 色彩增强过的冥王星和冥卫一图片。冥王星结冰的地表只是故事的一部分;冰面下方的深处隐藏着次表层海洋。 图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI

  ○ 图中显示了大型海王星外天体的相对大小、颜色和反射率。2015 RR245与Varuna的大小大致相同。如果冥王星是一颗行星,那么这些天体以及其他约100多个天体也将同样如此。 图片来源:Wikimedia Commons users Eurocommuter, Chesnok and Lasunncty

  但是,另一方面,我们必须忽视所有将冥王星视为行星的天文学。这才是我们需要问的问题:一个物体在太阳系中的位置能否决定它是不是行星?是不是只有天体本身的内在属性才重要?我们是否应该完全忽略行星与太阳系、恒星、它们的形成、以及引力之间的联系?

  IAU在2006年给出的行星定义有三点:

  对于研究太阳系的天文学家而言,这并没有什么问题。对于天文学而言,这八颗行星具有与其他所有星球都不同的特征。它们由一个相似的、且相同的形成历史联系在一起;它们对太阳和太阳系中其他天体的运动影响,比其他任何天体都更加显著;它们会反射更多的阳光;从引力角度看,它们在太阳系中占引力的主要部分。从许多角度来看,八大行星似乎就是适当的数字。但是,有另外三个不同的群体对这一定义非常不满,他们分别是系外行星天文学家、星系天文学家和行星科学家。

  2. 行星的必须绕着太阳运动,而非其他物体:即地球是行星,但月球却不是。

  ○ 太阳系中的八大行星和几颗“矮行星”。放弃“清除轨道”这一要求将会让柯伊伯带和奥尔特云上的大量天体、以及潜在的许多卫星和一些小行星都被视作行星。 图片来源:NASA

  ○ 如果要根据IAU的标准来判断一个天体是否为一颗行星,那么它只适用于太阳系中的行星,再无其他。然而,通过观测那些遥远天体的质量、轨道参数和“太阳系”的年龄,我们就能判断一个天体是否满足IAU的定义。 图片来源:http://arxiv.org/abs/1507.06300

  3. 行星系统的寿命。

  ○ 当我们将太阳系中已知的天体依次排序时,四个靠近内部的岩石世界和四个靠近外部的巨型气体世界脱颖而出。 图片来源:NASAs The Space Place

  ○ 图中显示了大小在10,000公里以下的天体包含了2颗行星、18或19颗卫星、1或2颗小行星,以及87颗海王星外天体,其中大部分还没有名字。 图片来源:Emily Lakdawalla

  然而,在76年后,天文学家却决定将冥王星踢出行星行列。它与谷神星(Ceres)和柯伊伯带(Kuiper belt)上其他一些天体的命运一样,都被编入矮行星的行列,太阳系的行星数量因此回落到了八个。

  1930年,天文学家在太阳系内发现了第一个超越海王星的新世界——冥王星(pluto)。过去,有许多人在最初接触天文学知识时,都被告知冥王星是太阳系的九大行星中离太阳最远、最孤单的那颗,想必它也因此成为许多人心中最爱的那颗行星。