天王星的发现使得天文学家猜测,可能还有大的行星存在于太阳系外围。毕竟太阳的质量非常大,比所有大行星的质量加起来还要大数百倍,完全可以在几十倍日地距离的地方控制更多的天体。可以预想到,天王星之外的大行星可能比天王星看起来更加暗淡,公转周期也更长,但天文学家还是可以通过细致的巡天观测来寻找可疑的候选者。
然而,令人感到意外的是,下一颗大行星存在的证据却是由一个数学家发现的,而线索就藏在天王星的运动数据中。在开普勒的太阳系模型中,大行星都在自己的椭圆轨道上规矩地运行,互相毫不干涉。另外,我们知道这只是一种对实际情况的简化。因为牛顿的引力定律指出任何两个天体之间都会存在互相吸引的力。不同的行星公转周期不同,因此相互间会周期性地靠近。当两颗大行星靠近彼此时,它们的引力就会使得对方都稍微偏离完美的椭圆轨道,这种偏离被称作「摄动」。
海王星的发现则要归功于法国天文学家奥本·尚·约瑟夫·勒维耶(Urbain jean joseph Le Verrier)杰出的数学能力。在发现天王星后,一些数学家和天文学家意识到天王星的轨道似乎受到了另一个大行星的干扰。勒维耶精确地计算出了这个可能天体的大小、轨道和应该出现的位置。在他的再三请求下,柏林天文台在他预测的位置发现了这个大行星,勒维耶根据其他行星命名的惯例,用海洋之神海——神尼普顿(Neptune)的名字命名其为海王星。
水星、金星、地球和火星一般被称为类地行星。顾名思义,这类行星像地球一样,有坚实的表面,并且都有铁质的核心。而木星、土星、海王星和天王星则是比地球巨大得多的行星。在过去,人们曾笼统地将这四颗行星称作类木行星,但现在我们已经知道这些行星可以分为两类:木星和土星这样的主要成分是氢、氦元素的「气态巨行星」;海王星、天王星这样的主要由冰冻的水、氨与甲烷构成的「冰巨星」。
在海王星外是否还有大行星存在?我们至今还没有发现。1930 年,美国科学家克莱德·威廉·汤博(Clyde William Tombaugh)发现了冥王星。这是一个太阳系外围的小天体,距离太阳约 40 倍日地距离,质量只有月球的 1/6。在之后的 70 多年里,冥王星被定义为太阳的第九大行星。但人们从一开始就发现,冥王星和其他八大行星有很多不同。其他的八大行星轨道都非常接近圆,而冥王星的轨道椭率(ellipticity)较大,甚至和海王星轨道交会。有的时候,冥王星会运行到比海王星更靠近太阳的地方。更重要的是,冥王星的质量太低,在自己的轨道上不占据主导地位。围绕冥王星地位的争论自发现之后一直不曾停止。从
20 世纪 90 年代起,天文学家开始不断地发现冥王星外的小天体。2005 年,人们找到了比冥王星还要重的 Eris(阋神星,136199 Eris)。这成了压倒冥王星地位的最后一根稻草。在 2006 年的天文学年会上,天文学家用投票的方式为行星颁布了新的定义,要求一个绕太阳运动的天体必须质量大得可以清除轨道上的其他天体才能被称作行星。而冥王星只比它的卫星稍大一点点,于是被剥离出了行星的队伍。天文学家为冥王星、阋神星以及小行星带中最大的天体——谷神星这样的天体开辟了一个新的小众分类「矮行星」。这次投票在当时引起了公众的强烈反对,但随着时间的推演,人们慢慢接受了这个新的更加合理的分类方法。
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