jcjin的心情筆記

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。