2006年8月新公佈的行星正式定義,將冥王星排除在外。 這是隨意決定的嗎?背後的科學根據是什麼?
撰文╱索特(Steven Soter)
翻譯/邱淑慧

冥王星(Pluto)正式從行星中除名,背後的科學根據是什麼?

大多數人從小就習以為常,所謂的行星是指:繞著恆星運轉、藉由反射恆星的光而發亮,而且體積大於小行 星的天體。這樣的定義雖然不甚精確,但卻把當時所知的天體做了清楚的分類。然而到了1990年代,天文學家一連串傑出的發現,使這樣的定義越來越站不住 腳:在海王星的軌道之外,有好幾百個冰球佔據了一個甜甜圈狀的區域,稱為庫伯帶(Kuiper belt),其中有些冰球的體積相當大;此外,許多其他恆星周圍也發現了行星,而且有許多行星的軌道跟太陽系行星的軌道完全不像;天文學家另外還發現了棕 矮星,這種星體的特性處於行星與恆星分類的模糊地帶;甚至在黑暗的星際空間裡,也有類似行星的天體獨自漂流著。

這些發現使天文學家爭論起行星的明確定義,並且促使國際天文聯合會(IAU,天文學主要的專業組織) 在2006年8月針對這問題做出結論。他們賦予行星定義:環繞恆星運行、質量足以使天體本身收縮成球狀,而且很重要的是,「足以清空軌道周圍,使該範圍內 沒有其他大小相當的天體」。這定義最引人爭論的是,它把冥王星(Pluto)從行星的行列中剔除了。有些天文學家表示拒絕採用這樣的定義,並且發起反對的 連署聲明。

這並非在玩文字遊戲,而是為了讓行星定義更科學。行星的新定義反映出,我們已經更了解太陽系與其他恆 星系統的結構。這些系統是藉由吸積作用,使許多小顆粒聚集成較大的天體,這些較大的天體會彼此吸引而形成更大的天體,就這樣一直逐漸累積,最後產生數量不 多、但質量較重的天體──行星;以及數量很多的小型天體──小行星與彗星,它們是行星形成過程所遺留的碎片。簡單說來,行星並不是隨意分類出來的,而是有 客觀根據的一種天體類別。

行星名錄演變史

天文學家對行星本質的重新定義,有著很深的歷史淵源。古希臘人在夜空中辨識出,相對於漆黑的天空與星 光所形成的背景,有七個會移動的光點,分別是太陽、月球、水星、金星、火星、木星與土星。古希臘人將其統稱為“planetes”,意為漫遊者。注意,地 球並沒有在這個名單上。因為在人類的大半歷史中,都認為地球是宇宙的中心或基礎。直到哥白尼說服了當時的天文學家,指出地球不是宇宙的中心,太陽才是。從 此他們定義,行星是指環繞太陽的天體,因此將地球列入其中,並剔除了名單上原有的太陽與月球。後來,藉由望遠鏡的觀測,在1781年與1846年分別發現 了天王星與海王星。

1801年發現的穀神星(Ceres),剛開始被認為是在火星與木星之間遺漏的行星一員。但就在隔 年,天文學家發現了軌道很接近的智神星(Pallas),便開始有了疑問。典型的行星在望遠鏡中看來是個小圓盤,但是這兩個天體卻是像針孔般的極小光點, 英國天文學家赫雪爾(William Herschel)提議將它們命名為「小行星」(asteroid)。到了1851年,這類天體的數量已增至15個,把它們都視為行星已然不恰當。於是天 文學家決定將小行星以發現的順序編列,正式將小行星歸類為另一個族群,而不再是像行星一樣以距離太陽的遠近編列。如果我們仍然把小行星視為行星,那現在的 小學生學到太陽系時,就得應付13萬5000顆行星了!

冥王星有著相似的故事。1930年湯博(Clyde Tombaugh)發現冥王星後,天文學家欣然接受冥王星就是長久以來所尋找的X行星,就是它的重力影響了海王星軌道,使海王星軌道有著無法解釋的異常特 性。後來證實,其他八顆行星不但都比冥王星大,就連它們的衛星也有七個比冥王星還大,地球的衛星月球就是其中之一。進一步的分析顯示,海王星軌道的怪異並 沒有因為冥王星的發現而獲得圓滿的解釋。60年來,身處行星系統最外圍的冥王星一直是特立獨行的怪異份子。

穀神星是在被確認為大量小行星的一員時,開始顯出它的重要性,同樣的,人們之所以會逐漸了解冥王星, 也是源自天文學家發現,它只是眾多庫伯帶天體(Kuiper belt object, KBO)之一,天文學家開始猶豫是不是還應該稱它為行星。從歷史沿革看來,撤銷冥王星的行星資格,並不算是空前的創舉,太陽、月球還有小行星都曾經列為行 星,後來又遭刪除。不過,仍然有很多人主張要繼續把冥王星稱為行星,因為幾乎每個人從小就習慣把冥王星當成行星。

2005年發現了厄里斯(Eris,在正式命名前稱為2003 UB313或齊娜),這是一個比冥王星還大的KBO。這個發現將爭議帶回源頭,如果冥王星算行星,那麼厄里斯必然也是個行星,如此一來連同其他大型的 KBO也都是;相反的,如果冥王星不是行星,那其他KBO也就都不是。天文學家要基於什麼樣的客觀立場來決定呢?

清除周遭空間的能力

為了避免行星數量無限制的增加,2000年美國西南研究所的史騰(Alan Stern)和李維森(Harold Levison)提出,行星的定義應是:比恆星小,但本身重力足以抵抗結構剛性,並使其聚集形成圓球狀。直徑超過數百公里的天體,大多能滿足後者;較小的 天體則大多呈現不規則的形狀,有許多根本就是巨大的礫石。

這個定義是2006年8月IAU行星定義委員會的選項之一,該委員會的主席是美國哈佛大學的金格瑞西 (Owen Gingerich)。這樣的定義會保住冥王星的行星資格,但連帶會使數十個KBO成為行星,並且使穀神星重獲行星身份,因為它是目前所知最大且唯一呈圓 球狀的小行星。

許多天文學家提出質疑,認為圓球狀這個標準並不恰當。因為就實際狀況而言,要觀察遙遠KBO的形狀是 很困難的,所以它們的地位仍然含糊不清。再者,小行星與KBO可是涵蓋了各種尺寸與形狀,我們要如何量化它有多圓,以辨別是不是行星呢?形狀與正圓球形有 著1%還是10%的偏差,是受到重力的支配嗎?大自然並未在正球形與非球形間設下明顯的界線,所以任何的邊界值都只是人類恣意的選擇。

不過,史騰與李維森確曾提出另一個將天體分類的根據。他們表示,太陽系中某些天體的質量,足以掃除或 散射掉周遭的大多數物質,而無法這麼做的較少數天體,不是有著不穩定的暫時軌道,就是有個重量級的同伴在穩定它的軌道。例如,地球的質量便足以清除靠得太 近的天體(例如近地小行星)或將其拋出。同時,地球也保護著月球,避免遭到掃除或散射。太陽系中的四個巨行星都有許多衛星環繞著。木星和海王星也都使各自 周遭的許多小行星與KBO(分別稱為特洛伊小行星與類冥天體)維持在所謂「穩定共振」的特殊軌道上,這類軌道的同步化(運轉週期與行星軌道的運轉週期成整 數比)可以使這些小天體避免與行星發生碰撞。

這些動力效應提供了一個實際的方式來定義行星,也就是說,行星的質量應該足以主宰其軌道周遭:可以將 小天體拋出,或是直接將它碰撞出去,或使其維持在穩定的軌道上。根據基本的軌道物理學,在太陽系過去的歲月中,大型天體使鄰近較小天體轉向的可能性,大約 正比於質量的平方(決定了重力對某一偏向角的影響範圍),反比於軌道週期(決定了發生碰撞的機率)。

即使是最大型的小行星及KBO(包含穀神星、冥王星與厄里斯),使周遭小型天體偏向或將其清除的能 力,也只有水星至海王星等八大行星的好幾千分之一。水星與火星的質量並不足以散射掉周遭所有的天體,但水星仍然足以掃除通過其軌道的大多數天體,而火星重 力的影響則可以使通過的天體偏向,進入鄰近較不穩定的軌道,其中有些軌道的週期正好是木星公轉週期的1/3或1/4,然後,巨行星的重力會接手,完成將這 些天體由火星附近拋出的工作。

天體清除周遭環境的能力,取決於其動力脈絡,而不是單純的天體性質。不過,動力上的巨大差距,提供了一個清晰的方式,來判斷是不是行星。我們不需武斷的去做區別,因為大自然已經幫我們完成了這個工作,至少在太陽系裡是如此。

王國裡的國王

2004年,美國加州理工學院的天文學家布朗(Michael Brown),提出了一個與這緊密相關的判斷標準。他定義行星為「在太陽系中,任何質量大於相似軌道上所有天體質量總和的天體」。為了使其更精確,我提出 建議,將「相似軌道」改成軌道區域的概念。當兩個天體的軌道互相交錯、軌道週期相差不到10倍,並且不是處於穩定的共振狀態,那麼兩者就是共有一個軌道區 域。為了實行這樣的定義,我開始著手調查所有已知環繞著太陽運行的小天體。

例如,據估計與地球共有軌道區域的,約有1000個直徑大於一公里的小行星,其中大多是相對較晚期才 由火星與木星間的主要小行星帶而來。它們的質量總和不到地球質量的0.0001%。以符號μ表示天體的質量相對於其軌道區域上其他所有天體質量總和的比 例。對地球來說,μ大約是170萬。事實上,在太陽系中,地球的μ值最大。木星質量雖然是地球的318倍,但是在其軌道區域上擠滿了更多的天體。在典型行 星中,火星的μ值最低(5100),不過也遠比穀神星(0.33)和冥王星(0.07)大得多(參見35頁左下圖表)。這樣的結果相當亮眼,顯示出行星迥 異於小行星與KBO,是完全不同的等級,而冥王星顯然是KBO。

這論點說服了IAU,定義行星為清空其軌道區域的天體。不過IAU在修改定義時,需要更明確的說明, 什麼樣的清除程度足以稱為行星。我曾提出以μ值100為界線,也就是說,在太陽系中如果一個天體的質量,佔其軌道區域總質量的99%,便稱為行星。但是確 實的分界值並沒有那麼絕對,10~1000間的數值都適用。

因此,所謂的行星是指已掃除或是散射其軌道區域大多數物質的天體。這個清楚的界定,將天體區分為行星 與非行星,也呈現出有關太陽系形成過程的重要觀點:所有的天體都是成長自一個環繞著原始太陽、由氣體與塵埃組成的平坦盤面。在搶奪有限原料的爭戰中,某些 天體勝出,搶得較多原料的天體會有較好的自我增強能力,因此天體的大小並不是什麼尺寸都有,形成的局面是各軌道區域都有個單一大型天體主宰,較小的天體被 大型天體掃出太陽系,或是被太陽吞噬;得以存留下來的就是我們今日所見的行星;小行星與彗星,包含KBO,則都是殘留的碎片。

太陽系目前正處於吸積作用的最後清除階段。小行星有著互相交錯的軌道,因此有可能與行星或其他小行星 發生碰撞。庫伯帶就是原始吸積盤外圍區域的殘留物,這裡的物質因為太稀疏,沒能形成另一個行星。太陽系中行星的軌道並沒有互相交錯,因此不會發生行星間的 碰撞,如同動力所支配的物體,它們數量必定相當少。如果另一個行星嘗試強行介入存在的行星之間,重力的擾動很快就會使其軌道不穩定。

相似的情況也發生在其他的行星系統中。目前為止,觀測家已經發現了約20個擁有超過一個行星的系統, 其中大多數系統中,行星的軌道彼此沒有交錯,但有三個例外,其部份重疊的軌道是共振的,因此行星間僥倖的不會發生碰撞。針對類似太陽的恆星,所有已知的非 恆星伴星,都足以使鄰近的小型物體轉向,因此以動力上具支配性為分類依據,都會歸類為行星。

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