冥王星到底是不是行星？一场持续二十年的定义之争

冥王星，诺盖山脉（左侧前景）、希拉里山脉（左侧天际线）以及史波尼克高原（右侧）的景象。邻近日落时分可见大气中弥漫着层层叠叠的烟雾。图源：维基百科

导读：

2006年8月24日，一场投票，让冥王星失去了太阳系第九大行星的称号。但这没有让冥王星少掉一座山、一片冰川或者一缕大气。关于冥王星是否为太阳系行星的争议还在继续，但冥王星还是那个冥王星。我们如何定义它、理解它，本身就是一场持续的探索。

瞿立建｜撰文

二十年前的今天，2006年8月24日，在捷克布拉格举行的国际天文学联合会大会上，天文学家通过决议，取消冥王星的“太阳系第九大行星”身份，将其降级为矮行星。然而，这一纸决议并没有终结冥王星身份地位的争议。

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冥王星：纯属巧合的发现

天王星被发现之后的几十年里，天文学家发现它的实际运行轨道总是和牛顿万有引力定律计算出来的结果有偏差。有天文学家推断，在它之外存在着一颗未知行星，那个看不见的“邻居”扰动了天王星的轨道。1846年，天文学家根据计算结果，果然在那里发现了一颗行星，这就是海王星。海王星因此被称为"笔尖上算出来的行星"。这一成功让人们相信，行星轨道运动中细微的异常，也许还能够指向更遥远的未知世界。

发现海王星的望远镜

然而，就算把海王星的引力也算进去，天王星的实际位置还是跟理论预测存在偏差。于是有人猜测：海王星之外，是不是还有一颗行星，也在偷偷扰动天王星的轨道？

美国富商、天文学家帕西瓦尔·罗伦斯·罗威尔（Percival Lawrence Lowell，1855年3月13日—1916年11月12日），将这颗假想中的行星叫做"X行星"（X就是未知数的意思），并于1905年开始寻找它，用的是自己花钱建造的天文台。

美国富商、天文学家帕西瓦尔·罗伦斯·罗威尔（Percival Lawrence Lowell，1855年3月13日—1916年11月12日）在利用私家天文台做观测。

罗威尔直到1916年去世也没找到X行星的影踪。他去世后，天文台陷入遗产纠纷，十余年的时间里不能正常开展工作。

1929年，天文台恢复运转，重启X行星搜寻计划。天文台雇佣了一位新员工克莱德·威廉·汤博（Clyde William Tombaugh，1906年2月4日—1997年1月17日）来负责搜寻X行星的工作。第二年，1930年2月18日，汤博就成功发现了X行星。经进一步确认后，3月13日正式对外公布。5月1日，X行星被正式命名为冥王星（Pluto）。

克莱德·威廉·汤博（Clyde William Tombaugh，1906年2月4日—1997年1月17日），美国天文学家，1930年独立发现冥王星。汤博是个从未受到专业训练的农家孩子，自学成才。1928年，22岁的汤博把自己的观测草图和记录寄给了罗威尔天文台，希望得到专业天文学家的评价，结果收到了一份工作邀约。

但是，一个问题显现出来。

如果冥王星就是那颗能够显著扰动天王星和海王星的“X行星”，它应该具有相当大的质量。然而随着观测手段不断改进，天文学家对冥王星质量的估计一路下降[1]。

1915年，罗威尔估算X行星质量7倍于地球。1930年，冥王星发现之初，根据它和海王星轨道数据，估算其质量与地球相当。1948至1949年，天文学家测量了冥王星直径，推断其质量为地球质量的十分之一。1976年，天文学家发现冥王星不是岩石行星，而是冰质行星，根据其大小和量度，推断其质量为地球质量的百分之一。1978年，天文学家发现了冥王星的卫星卡戎，根据冥王星-卡戎系统的轨道数据，直接计算出了冥王星质量约为地球质量的千分之二，不到月球质量的六分之一。这个数值不再是估算，确认冥王星不足以扰动天王星和海王星的轨道。

最终在1989年，美国旅行者2号飞掠海王星，获得了准确的海王星质量数据。1993年，美国天文学家E. Myles Standish的计算表明，采用新的海王星质量后，天王星轨道中那些所谓无法解释的异常完全消失，也就是说，根本不需要天文学家所计算的“X行星”。

也就是说，冥王星是错误的理论带来的伟大发现，纯属巧合。

冥王星质量虽小，但在当时并没有立即失去行星身份，因为当时并不存在一条“质量低于多少就不能成为行星”的正式规则。冥王星继续作为“第九大行星”存在。

不过，早在冥王星被发现后不久，就有天文学家提问：冥王星不太可能是海王星外唯一的天体，是否还有一连串的海王星外天体等待被发现？

1951年，荷兰裔美籍天文学家杰拉德·柯伊伯（Gerard Peter Kuiper，1905年12月7日—1973年12月23日）提出：海王星之外，太阳系中曾存在一个小天体圆环，这个圆环可能已经不存在了。

1992年之后，越来越多冰质天体在海王星之外被找到，一个庞大的天体族群渐渐浮出水面，这个天体群后来被称为柯伊伯带，而冥王星就是柯伊伯带中第一个被发现的成员。

图中蓝色和橙色小点代表柯伊伯带天体。图源：wikimedia

麻烦随之而来：如果冥王星算行星，那么与它相似的大型海王星外天体又该怎么归类？

2005年7月底，这个问题变得再也无法回避。

天文学家公布了新发现的三颗大型海王星外天体的观测结果，这三颗天体后来分别被命名为阋神星、妊神星、鸟神星。其中阋神星直径略小于冥王星，质量却约为冥王星的1.27倍，一时称之为“太阳系第十大行星”。

如果冥王星是行星，凭什么阋神星不是？如果阋神星也是，那么妊神星、鸟神星的直径超过了冥王星的60%，又应该如何对待？今后再发现类似天体，行星名单是不是还要继续增加？

比起“阋神星是不是太阳系第十大行星”，天文学家更迫切需要回答的是，究竟什么才叫行星？

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2006年：行星的新定义

2006年8月14至24日，第26届国际天文学联合会（IAU）的全体会议在捷克首都布拉格举行，会议最受瞩目的议程就是确定行星的定义和冥王星的地位。

8月24日，国际天文学联合会通过决议，规定太阳系中的行星需要同时满足三个条件：

• 围绕太阳运行；

• 质量足够大，使自身引力能够把自己塑造成近似球形；

• 清除了轨道邻近区域的小天体——其引力在公转轨道内占据动力系统主导地位，致其周围除了被其束缚的天然卫星或处于拉格朗日点引力平衡的特洛伊天体外没有其他其他天体。

冥王星位于天体密集的柯伊伯带中，无法满足第三条。国际天文学联合会将满足前两个条件而不满足第三个条件的天体归类为矮行星。冥王星由此降级为矮行星，太阳系行星数量回到八颗。

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反对的声音

但有些天文学家对新定义的第三条不服：判断一个天体是不是行星，为什么一定要看它周围还有多少其他天体？如果一个天体已经依靠自身引力形成近似球形的形貌，拥有内部结构，经历过长期演化，而且存在山脉、冰川、大气、气候循环乃至持续发生的地质活动，那么它在物理意义上凭什么不能称为“行星”？

事实上，早在2000年第24届国际天文学联合会的全体会议上，美国天文学家阿兰·斯特恩（Alan Stern，1957年11月22日—）和哈罗德·利维森（Harold F. Levison，1959年3月1日）就提出了一套替代方案。他们首先界定了“行星级天体”（planetary body）：质量既不能大到足以发生自持核聚变，但足以大到使整体形状近似为球形。

二人并没有否认轨道动力学的重要性。相反，他们主张把动力学性质作为进一步分类的依据：能够在宇宙寿命尺度内取得所在轨道区域动力学优势的天体，被称为 überplanet（可译为超行星）；不能做到这一点的，则称为 unterplanet（可译为次行星）。

要利用这种定义将冥王星重新提级为行星，就需要确定：冥王星究竟只是柯伊伯带里一颗比较大的冰冻天体，还是一个拥有完整演化历史的复杂世界？

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新视野号：揭开冥王星的面纱

2006年1月19日，NASA的新视野号探测器发射升空。9年后的2015年7月14日，它从距冥王星表面约1.25万公里处飞掠而过，传回了大量近距离探测数据。

这些数据揭示出一个远比预想活跃和丰富的世界。冥王星有高山、平原、冰川、峡谷和层层大气薄雾，地貌的丰富程度完全颠覆了我们原本的想象：柯伊伯带里一个被冻结的单调小冰球。

新视野号拍摄的冥王星照片，那片心形区域最引人注目，俗称冥王星之心，被命名为汤博区（Tombaugh Regio）。图源：wikimedia

冥王星表面最醒目的景观是一片心形区域，横跨近1600公里，以冥王星的发现者的名字命名为汤博区。汤博区西边是一片平原，叫做斯普特尼克平原（Sputnik Planitia），覆盖着以氮冰为主要成分的冰川。

斯普特尼克这片冰原并不是一块纹丝不动的“冰板”，表面分布着许多几十公里见方的多边形条块。研究认为，这些多边形是氮冰内部缓慢对流留下的痕迹：冰层深处温度相对较高，氮冰受热后略微膨胀、密度降低，在浮力作用下缓慢上升，上升的氮冰到达近地表后向四周缓慢铺展，在每个对流单元的边缘又向下回流。许多这样的对流单元彼此紧挨，其边缘连接起来，便在冰面上形成了一个个巨大的多边形。

斯普特尼克平原表面不断被更新，还表现在其上几乎没有小行星、彗星等小天体高速撞击形成的撞击坑。

冥王星上也有高山，但构成这些山体的“岩石”与地球不同。冥王星表面温度极低，水结成的冰在这样的环境中十分坚硬，因此能够像地球上的岩石一样支撑起高大的山体。而在平原西侧的克苏鲁等地区，却可以看到大量保存下来的撞击坑。冥王星上一些古老地貌的年龄甚至可追溯到约40亿年前。年轻冰原与古老地形同时存在，说明冥王星不同区域经历了截然不同的地质演化。

斯普特尼克平原西南方的莱特山（Wright Mons）尤其引人注目，其主体高约4—5千米、宽约150千米，周围还分布着大片起伏的丘状地形。2022年的研究认为，冥王星内部富含水冰的物质可能曾通过冰火山活动输送到地表，这些物质反复堆积、铺展和改造地形，最终形成了莱特山及周围大规模的冰火山地貌。

冥王星的天空也并非一片死寂。新视野号飞跃冥王星时，拍到了延伸至200千米以上的层层蓝色薄雾。冥王星大气以氮气为主，并含有甲烷等成分。太阳紫外线会引发复杂的光化学反应，形成碳氢化合物和有机气溶胶颗粒，这些微粒散射阳光，使薄雾呈现淡蓝色。此外，地表还会升华出氮气、甲烷等气体，经大气输运，并在较冷区域重新凝结，从而在不同区域之间迁移。

总之，新视野号揭示出冥王星是一个地质活动活跃的世界：有流动的冰川、缓慢的固态冰对流，有活跃的大气化学和挥发物循环，也有风成地貌、冰壳变形留下的裂谷和断层，以及冰火山活动塑造的巨大地貌。

这些发现并不能从逻辑上证明“冥王星必须是行星”，却显著改变了争论的经验背景。新视野号之前，“冥王星是不是行星”很容易被理解成一个关于轨道、质量和名称的技术问题；新视野号后，人们面对的却是一个拥有复杂地质史、气候循环和持续演化过程的完整世界。

在这一背景下，围绕“究竟什么才算行星”的争论重新获得了动力。

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行星的地球物理定义

2017年，新视野号首席科学家阿兰·斯特恩联合多位天文学家，在第48届月球与行星科学会议上提出了地球物理行星定义（Geophysical Planet Definition）：

行星是一个亚恒星质量天体，它从未经历过核聚变，并且具有足够强的自身引力，使其能够形成一种可由三轴椭球充分描述的类球状形态，而不考虑其轨道参数。

“不考虑轨道参数”，正是这一定义与IAU定义最根本的区别。

按照这一定义，冥王星当然是行星，谷神星也是；阋神星、妊神星、鸟神星等大型海王星外天体同样可以被归入行星范畴。甚至月球、木卫二、木卫三、土卫六等大型卫星，只要其自身引力足以将其塑造成可由三轴椭球充分描述的类球状形态，也会被纳入广义的“行星”之中，可进一步称为“卫星行星”（moon planets）。

这样的话，太阳系中行星数量接近110。不过，天文学家并不主张学生记住上百颗行星的名称，而是更强调理解太阳系的自然分区，以及不同区域中天体的类型与分布特征。

这一派天文学家还指出了IAU定义的一个严重缺陷：一个天体“清除轨道”的能力，不仅取决于自身质量，也与它距离恒星多远以及可供清理的时间尺度有关。

他们提出一个思想实验：如果一个地球质量的天体位于柯伊伯带，给它100亿年时间，它也不会把轨道清理到太阳系中地球的轨道的程度。

于是一个很有意思的问题出现了：

如果把地球原封不动地搬到太阳系非常遥远的位置，它会不会因为周围环境改变而不再是“行星”？

如果答案是“会”，那么“行星”首先描述的是一种轨道关系。

如果答案是“不会”，那么我们其实更倾向于认为“行星”首先描述的是天体自身的物理身份。

这个思想实验揭示了两套定义真正分类的对象并不完全相同：一种主要描述行星系统的动力学结构，另一种主要描述行星自身的物理性质。

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冥王星到底是不是行星？

越往太阳系边缘看，传统上那种整齐的“几颗大行星＋大量普通小天体”的图景就越显得过于简单。冥王星恰好位于这个分类边界附近。如果它大得多或小得多，也许不会有争议。而它偏偏足够小，没有成为整个柯伊伯带的动力学主导者，又足够大，拥有一个复杂行星世界所具有的许多特征。

冥王星在地球物理意义上很像行星，在动力学意义上又明显不像行星。两种分类体系在它身上给出了不同答案。

科学中的分类并不是自然界提前贴好的标签。自然界只提供研究对象。“恒星”“行星”“矮行星”“小行星”“卫星”，是人类为了理解这些对象建立的概念体系。当观测能力不断提高，新的边界天体不断被发现时，旧有分类就可能面对挑战。冥王星就是一例。

2006年8月24日对冥王星的那场投票，没有让冥王星少掉一座山、一片冰川或者一缕大气。冥王星还是那个冥王星，不管把它称为“第九大行星”还是“矮行星”。我们如何定义它、理解它，本身就是一场持续的探索。

参考文献：

[1] 冥王星质量估计： https://en.wikipedia.org/wiki/Pluto#Planet_X_disproved

[2] 关于柯伊伯带的科普性专业评论： http://www.icq.eps.harvard.edu/kb.html ， http://www2.ess.ucla.edu/~jewitt/kb/gerard.html

[3] 国际天文学联合会通过的行星定义决议：https://www.astro.cz/_data/files/2009/01/13/definice.pdf

[4] 多位天文学家提出的行星的地球物理定义：https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2017/pdf/1448.pdf

来源：赛先生

编辑：测不准的小阳

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