我們大多數人在傳統的行星定義中長大，行星是圍繞恆星執行的天體，透過反射恆星的光芒而發光，並且比小行星更大。雖然這個定義可能不是很精確，但它清楚地將我們當時已知的星體進行了分類。然而，在 20 世紀 90 年代，一系列引人注目的發現使其站不住腳。在海王星軌道之外，天文學家發現了數百個冰冷的世界，其中一些相當大，佔據了一個稱為柯伊伯帶的甜甜圈形區域。在其他恆星周圍，他們發現了其他行星，其中許多行星的軌道看起來與我們太陽系中的軌道截然不同。他們發現了棕矮星，這模糊了行星和恆星之間的區別。他們還發現了在星際空間的黑暗中獨自漂流的類行星天體。
這些發現引發了關於行星究竟是什麼的辯論，並導致國際天文聯合會（IAU，天文學家的主要專業學會）在去年八月做出決定，將行星定義為圍繞恆星執行的天體，其質量足夠大，可以穩定成圓形，並且至關重要的是，“清空了其軌道周圍的區域”。具有爭議的是，新的定義將冥王星從行星列表中移除。一些天文學家表示他們將拒絕使用它，並組織了一份抗議請願書。
這不僅僅是一場關於文字的辯論。這個問題在科學上非常重要。新的行星定義反映了我們對太陽系和其他星系架構理解的進步。這些系統是透過旋轉盤內的吸積形成的：小顆粒聚集在一起形成更大的顆粒，這些顆粒又聚集在一起形成更大的顆粒，依此類推。這個過程最終產生少量的大質量天體——行星——和大量的小得多的天體——小行星和彗星，它們代表了行星形成過程中留下的碎片。簡而言之，“行星”不是一個隨意的類別，而是一個客觀的天體類別。
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地球何時成為行星
天文學家對行星性質的重新評估有著深刻的歷史根源。古代希臘人認識到天空中七個相對於恆星背景圖案移動的光點：太陽、月球、水星、金星、火星、木星和土星。他們稱之為planetes，或漫遊者。請注意，地球不在這個列表中。在人類歷史的大部分時間裡，地球不被視為行星，而是被視為宇宙的中心——或基礎。在尼古拉斯·哥白尼說服天文學家太陽而不是地球位於中心之後，他們將行星重新定義為圍繞太陽執行的天體，從而將地球列入名單，並刪除了太陽和月球。望遠鏡觀測者在 1781 年增加了天王星，在 1846 年增加了海王星。
1801 年發現的穀神星最初被認為是填補火星和木星之間空隙的缺失行星而受到歡迎。但當天文學家在第二年發現帕拉斯也在類似的軌道上執行時，他們開始產生懷疑。與望遠鏡顯示為小圓盤的經典行星不同，這兩個天體都顯得像微小的光點。英國天文學家威廉·赫歇爾提議將它們命名為“小行星”。到 1851 年，它們的數量增加到 15 個，將它們都視為行星變得笨拙。然後，天文學家決定按發現順序而不是像行星那樣按距太陽的距離列出小行星——實際上接受了小行星作為一個獨特的群體。如果我們仍然將小行星算作行星，那麼研究太陽系的小學生現在將不得不應對超過 135,000 顆行星。
冥王星也有類似的故事。當克萊德·湯博在 1930 年發現它時，天文學家歡迎冥王星為長期以來尋求的“X 行星”，其引力可以解釋海王星軌道中無法解釋的特性。結果證明，冥王星不僅比其他八顆行星小，而且比它們七顆衛星（包括地球的衛星月球）還要小。進一步的分析表明，海王星軌道中的特性是虛幻的。六十年來，冥王星一直是行星系統外邊緣的獨特異常天體。
正如只有當穀神星被認為是眾多小行星之一時才開始有意義一樣，冥王星只有當天文學家發現它是眾多柯伊伯帶天體 (KBO) 之一時才歸位[參見簡·X·盧和戴維·C·朱維特的“柯伊伯帶”；《大眾科學》，1996 年 5 月，以及雷努·馬爾霍特拉的“行星遷移”；《大眾科學》，1999 年 9 月]。天文學家開始重新考慮是否應該繼續稱其為行星。從歷史上看，撤銷冥王星的行星地位並非史無前例；前行星的行列包括太陽、月球和小行星。然而，許多人認為應該繼續稱冥王星為行星，因為幾乎每個人都已經習慣於將其視為行星。
2005 年發現的鬩神星（以前稱為 2003 UB313 或齊娜）是一個比冥王星還大的 KBO，這使問題達到了緊要關頭。如果冥王星是一顆行星，那麼鬩神星也必須是一顆行星，以及其他數十個大型 KBO；反之，如果冥王星不是行星，那麼其他 KBO 也不是行星。天文學家可以在什麼客觀基礎上做出決定？
澄清誤解
為了避免行星數量無限制地增加，西南研究所的艾倫·斯特恩和哈羅德·萊維森在 2000 年提出，行星可以定義為質量小於恆星但質量足夠大，以至於其引力可以克服其結構剛度並將其拉成圓形的天體。大多數半徑大於幾百公里的天體都滿足後一個標準。較小的天體通常具有崎嶇的形狀；它們中的許多基本上是巨大的巨石。
這個定義是 IAU 行星定義委員會在 8 月初倡導的定義，該委員會由哈佛大學的歐文·金格里奇擔任主席。它本可以將冥王星保留為行星，但代價是可能承認數十個 KBO，並恢復穀神星（最大的小行星，也是唯一已知是球形的）的行星地位。
許多天文學家認為，圓形度標準是不充分的。實際上，很難觀察遙遠 KBO 的形狀，因此它們的狀態將仍然不明確。此外，小行星和 KBO 跨越了幾乎連續的大小和形狀範圍。我們如何量化區分行星的圓形度？如果天體的形狀與球體偏差 10% 或 1%，引力是否會支配該天體？自然界在圓形和非圓形形狀之間沒有提供未被佔據的間隙，因此任何邊界都將是任意選擇。
斯特恩和萊維森提出了另一個標準，但這個標準確實導致了一種非任意的方式來對天體進行分類。他們指出，太陽系中的一些天體質量足夠大，可以掃除或散射掉其大部分近鄰。質量較小的天體無法做到這一點，它們佔據著瞬態、不穩定的軌道，或者有一個重量級的守護者來穩定它們的軌道。例如，地球足夠大，可以最終掃除或拋開任何過於靠近的天體，例如近地小行星。與此同時，地球保護其衛星月球免受掃除或散射。四顆巨行星中的每一顆都統治著一大群環繞衛星。木星和海王星還在稱為穩定共振的特殊軌道上維持著它們各自的小行星和 KBO 家族（分別稱為特洛伊和冥衛族），其中軌道同步性防止了與行星的碰撞。
這些動力學效應提出了一種實用的行星定義方法。也就是說，行星是一個質量足夠大，可以支配其軌道區域的天體，透過拋開較小的天體、在直接碰撞中掃除它們或將它們保持在穩定的軌道上。根據基本的軌道物理學，大質量天體在其太陽系年齡內將較小的天體從其鄰域偏轉的可能性大致與其質量的平方（這決定了大質量天體在給定偏轉量下的引力範圍）成正比，並與其軌道週期（這控制著遭遇發生的速率）成反比。
從水星到海王星的八顆行星掃除或偏轉附近小型天體的可能性比最大的小行星和 KBO（包括穀神星、冥王星和鬩神星）高出數千倍。水星和火星本身質量不足以散射掉其附近的所有天體。但水星仍然足夠大，可以掃除大部分穿過其軌道的附近小型天體，而火星具有足夠的引力影響，可以將經過的天體偏轉到附近的不穩定軌道，包括一些週期正好是木星週期的三分之一或四分之一的軌道。然後，巨行星的引力完成了將這些天體從火星附近彈出的任務。
天體清空其鄰域的能力取決於其動力學環境；這不是天體的內在屬性。然而，動力學能力上的巨大差距為區分行星與其他天體提供了一種明確的方法。我們不需要做出任意的區分，因為至少在我們自己的太陽系中，大自然為我們做到了這一點。
它們王國中的王者
加州理工學院的天文學家邁克爾·布朗在 2004 年提出了一個密切相關的標準。他將行星定義為“太陽系中任何質量大於類似軌道中所有其他天體總質量的天體”。為了使其更精確，我建議用軌道區域的概念替換“類似軌道”。如果兩個天體的軌道曾經交叉，如果它們的軌道週期相差小於 10 倍，並且它們不在穩定的共振中，則它們共享這樣一個區域。為了應用這個定義，我對已知的圍繞太陽執行的小天體進行了普查。
例如，地球與其軌道區域共享估計有 1,000 顆直徑大於一公里的小行星，其中大多數是最近從火星和木星之間的小行星帶到達的。它們的總質量不到我們星球質量的 0.0001%。天體的質量與其軌道區域中所有其他天體質量之比可以縮寫為 ?。對於地球，? 大約為 170 萬。事實上，地球似乎在太陽系中具有最高的 ? 值。木星的質量是地球的 318 倍，但它與其軌道區域共享著更大的天體群。火星是所有行星中 ? 值最低的行星 (5,100)，但即使這樣也遠大於穀神星 (0.33) 或冥王星 (0.07) 的值。結果是驚人的：行星與小行星和 KBO 處於不同的等級，而冥王星顯然是一個 KBO。
這些論點說服了 IAU 根據“清空”其軌道鄰域來定義行星。IAU 可能需要修改定義，以明確規定什麼程度的清空才能使天體有資格成為行星。我建議將截止值設定為 ? 值為 100。也就是說，如果一個天體在其軌道區域中佔質量的 99% 以上，那麼它就是我們太陽系中的行星。但這個截止值的確切值並不關鍵。介於 10 到 1,000 之間的任何值都將具有相同的效果。
因此，行星是掃除或散射掉其軌道區域中大部分質量的天體。將天體乾淨地劃分為行星和非行星揭示了形成太陽系過程的重要方面。所有這些天體都從圍繞原始太陽的扁平氣體和塵埃盤中生長出來。在爭奪有限的原材料的競爭中，一些天體勝出。它們的生長變得自我加強，因此結果不是所有大小的天體的連續譜，而是一個支配每個軌道區域的單個大天體。較小的天體被較大的天體掃除，從太陽系中噴射出來或被太陽吞噬，倖存者成為我們今天看到的行星。小行星和彗星，包括 KBO，是剩下的碎片。
我們的太陽系現在正處於吸積的最後清理階段。小行星具有相交的軌道，使其能夠相互碰撞並與行星碰撞。柯伊伯帶是原始吸積盤外圍部分的殘餘物，那裡的物質過於稀疏，無法形成另一顆行星。我們太陽系的行星具有不相交的軌道，因此無法碰撞。作為動力學上占主導地位的天體，它們的數量必須很少。如果另一顆行星試圖擠入現有行星之間，引力擾動最終將使其軌道不穩定。
類似的情況似乎也適用於其他行星系統。到目前為止，觀測者已經發現了大約 20 個擁有不止一顆行星的系統。在大多數系統中，行星具有不相交的軌道，在三個例外情況中，重疊的軌道似乎是共振的，允許行星在不碰撞的情況下生存。所有已知的類太陽恆星的非恆星伴星都足夠大，可以偏轉附近的小天體。根據動力學支配地位的標準，它們可能符合行星的資格。
結局
行星實際上是恆星周圍圓盤吸積的最終產物。這個定義僅適用於成熟的系統，例如我們的系統，在這些系統中，吸積已經有效地完成。對於較年輕的系統，吸積仍然很重要，最大的天體嚴格來說不是行星，而是稱為行星胚胎，而較小的天體稱為星子。
IAU 的定義仍然包括圓形度作為行星的標準，儘管嚴格來說，這是不必要的。軌道清空標準已經區分了行星與小行星和彗星。該定義還消除了區分行星與恆星和棕矮星的質量上限的需要。圍繞恆星近距離執行的相對罕見的棕矮星伴星可以歸類為行星；與更寬軌道中的棕矮星不同，它們被認為是透過圓盤吸積形成的。
簡而言之，行星和非行星之間的區別在理論上和觀測上都是可以量化的。我們太陽系中的所有行星都具有足夠的質量來掃除或散射掉其軌道區域中的大部分原始星子。今天，每顆行星所包含的質量至少是其附近所有碎片質量的 5,000 倍。相比之下，小行星、彗星和 KBO（包括冥王星）生活在可比天體群中。
對任何此類定義的一個主要反對意見是，天文天體應僅按其內在屬性（如大小、形狀或組成）進行分類，而不應按其位置或動力學環境進行分類。這種論點忽略了一個事實，即天文學家將所有圍繞行星執行的天體都歸類為“衛星”，儘管其中兩個比水星行星還大，而且許多是捕獲的小行星和彗星。環境和位置顯然很重要。事實上，距太陽的距離決定了近距離天體變成了小型岩石行星，而更遠的天體變成了富含揮發性冰和氣體的大型行星。新的定義區分了行星（它們在動力學上支配著大量的軌道空間）與小行星、KBO 和噴射的行星胚胎（它們沒有）。這八顆行星是圓盤吸積的主要最終產物，並且與大量的小行星和 KBO 有明顯的不同。
九大行星的歷史定義無疑保留了強烈的懷舊吸引力。但是，為將冥王星納入其中而制定的臨時定義往往會向公眾掩蓋自 20 世紀 90 年代初以來我們對太陽系的起源和架構的理解發生的深刻變化。
76 年來，我們的學校一直教導冥王星是一顆行星。有些人認為文化和傳統足以使其保持這種狀態。但是，科學不能仍然受過去誤解的束縛。為了有用，科學定義應該從自然世界的結構中得出，並引起人們對自然世界結構的關注。當我們需要反映從新發現中產生的更好理解時，我們可以修改我們的定義。關於行星定義的辯論將為教育工作者提供一個教科書式的例子，以展示科學概念不是刻在石頭上的，而是不斷發展的。