太阳系行星的分类

伤我心太深

　　太阳系在宇宙中只是极微小的一部分，但对我们居住在地球上的人类来说却是关系最密切的一部分。要了解地球的宇宙环境，首先要从了解太阳系开始。

　　一、什么是太阳系?

　　太阳系是由太阳、行星、矮行星、卫星与众多的小天体构成的天体系统。在太阳系中，太阳是中心天体。太阳系的行星有八颗：按离太阳由近及远的顺序，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。首先被确定为矮行星的就是在2006年被开除出行星行列的冥王星。包括新发现的比冥王星更远更大的“齐娜”在内的一些天体随后陆续列入矮行星的行列。太阳系的小天体则包括小行星、彗星、流星体等围绕太阳运动的天体。

　　太阳是一颗典型的恒星，它在大小和质量方面都在太阳系中占统治地位，最大的行星——木星的直径只有太阳的十分之一。由于太阳的质量占太阳系的99.86%，所以行星、矮行星和众多的太阳系小天体都在太阳引力作用下以很相似的方式围绕太阳运动。

　　二、太阳系天体的运动特性

　　17世纪初，开普勒在哥白尼日心说的基础上研究了第谷提供的行星观测资料，总结出太阳系行星运动三大定律。开普勒的第一定律说的是，所有行星的运动轨道都是椭圆的，太阳位于椭圆的一个焦点上。因此，行星绕日运动时与太阳的距离是不断变化的。离太阳最近时，为近日点;离太阳最远时，为远日点。通常椭圆扁的程度用偏心率表示。偏心率越大，椭圆就越扁，近日点和远日点与太阳的距离之差就越大。除了水星之外，其他行星轨道的偏心率不超过0.1。




　　开普勒的第二定律说的是，行星的向径(太阳中心到行星中心的连线)在单位时间内扫过的面积相等。

　　这个面积不变制约行星与太阳的距离变化和行星速度变化之间的关系。距离增大，速度就变小;距离缩小，速度就增大。这就是说，各行星围绕太阳作不等速运动，距太阳远时速度小，距太阳近时速度大。这个定律正与行星运动的动量矩守恒相一致。所谓行星运动的动量矩守恒是指行星的质量、速度、离太阳的距离这三者的乘积保持不变。其中行星的质量可视为常量，所以其速度与离太阳的距离成反比。


　　开普勒的第三定律说的是，行星绕太阳运动的公转周期的平方与它们和太阳平均距离的立方成正比。它表明，各行星与太阳的距离不等，其绕日公转周期的长短必然不同。离太阳愈近的行星，公转周期就愈短。反之，就愈长。例如，离太阳最近的水星的公转周期仅为88日，地球的公转周期为一年，离太阳最远的海王星的公转周期则长达164.8年。开普勒的第三定律在天体测量上有很重要的用途。只要知道行星的公转周期就可以根据这个定律很容易地算出行星的平均距离。反之，知道了行星的平均距离就可以很容易算出它的公转周期。

　　不仅行星绕日运动遵循开普勒的这三个定律，矮行星、小行星、周期彗星的绕日运动也遵循这三个定律。卫星(也包括人造卫星)绕行星的运动也遵循这三个定律，只不过被围绕的天体由太阳改为行星。

　　一般说来，小行星的轨道偏心率要大得多，有些彗星和流星体的轨道偏心率可以接近于1。行星的轨道平面都包含太阳这个中心天体，且与地球轨道平面的交角至多不过几度。因此，作为一次近似，太阳系是一个二维空间。然而，我们可以作一张太阳系的平面，按比例绘出行星的距离，行星的轨道平面都被看做处于地球轨道平面上。在图中也包含了小行星带。这个介于火星轨道和木星轨道之间的小行星带是由数以万计的小行星所组成的。


　　观测表明，行星的轨道差不多既是近似圆形的又是共面的。一个进一步的规律是，这些行星在其轨道上运行的方向都是一致的，尽管在每一个轨道内和不同的轨道上，它们的运动速率在变化，但都遵循开普勒定律。简而言之，它们具有近圆性、共面性和同向性。

　　小行星，彗星和流星体的运动也是如此。至今还没有发现一个在轨道上逆向运动的小行星的例子。虽然大多数彗星和流星体绕太阳运行的方向与行星是一致的，但是有些彗星例外，其中最著名的就是哈雷彗星。


　　三、太阳系行星的分类


　　通常，我们把太阳系的八大行星分为内行星和外行星两大类。

　　内行星指处在小行星带之内离太阳较近的四颗行星：水星、金星、地球和火星。它们离太阳较近，都是表面为岩石固体的岩质行星，其物理性质差不多，体积和质量较小，但密度大，中心有铁核，含金属元素比例高。它们都没有光环。水星和金星没有卫星，地球只有一颗卫星，就是质量约为地球的1/81的月亮。火星有两颗直径略小于16千米的卫星。这四颗内行星亦称为地球型行星或类地行星。



　　外行星是指处在小行星带之外离太阳较远的四颗行星：木星、土星、天王星、海王星。这四颗行星表面都没有固体地壳，称为木星型行星或类木行星。与内行星相比，它们离太阳较远，体积和质量较大，但密度小，主要由氢氦等轻元素组成。它们周围都有光环和较多的卫星围绕。木星有63颗卫星，其中有4颗(伽利略卫星)是很大的，跟我们的月球同属一个数量级，其余59颗要小得多。土星有64颗卫星，包括一颗几乎与水星一般大的土卫六和许多较小的天体。天王星已知有27颗卫星，几乎全都沿着圆形的共面轨道运行。海王星有13颗卫星，在质量上相差悬殊，最大的海卫一与土卫六差不多大，它围绕着海王星沿着偏心率很大的轨道运行。木星、土星、天王星和海王星的体积都比四颗内地行星大好多倍，都有一层浓厚大气，所以又被称为气体行星。

　　离太阳更远的冥王星比较特殊。它的体积和质量不仅比四颗内行星小，而且比月球还小，但它的密度很小，近似于四颗巨大的类木行星，而其化学组成却似彗星。冥王星有一个较大的卫星卡戎，卡戎与冥王星公共质心已不在冥王星之内。另外，冥王星的轨道与海王星的轨道有交叉，有时会进入海王星轨道之内。这次被开除出行星行列降格为矮行星有其必然性。

　　对太阳系八大行星还有一种分类法是把八大行星分为地内行星、地球和地外行星三类。地内行星指处于地球轨道之内的水星和金星。地外行星指处于地球轨道之外的其余五颗行星：火星、木星、土星、天王星和海王星。


　　四、海王星之外天体的不断发现与太阳系行星的重新定义


　　自1930年发现冥王星，了解了它的质量和距离之后，天文学家就断定它并不是原来要找的那颗作为海王星轨道运动摄动者的海外行星。天文学家按照海王星的轨道运动推测，所要寻找的海外行星应是一个直径比地球大3至5倍、质量是地球10至20倍的天体，其轨道半径是50至60天文单位。而冥王星的直径和质量却比地球还小很多，不可能有足以使海王星轨道发生偏离的摄动力。此外，它的轨道平均半径只有39个天文单位，而且在1979至1999年间它还会运行到海王星轨道的内侧，处于天王星和海王星之间，成了海内天体。所以，冥王星的发现并没有中止天文学家继续寻找那颗比冥王星更遥远的海外行星。


　　美国天文学家柯伊伯曾于1949年提出一个太阳系演化学说。

　　他预言，在海王星冥王星之外有一个环带，还存留许多未能聚合为大行星的小天体。后人将他预言的太阳系外围环带称为柯伊伯带。1992年，在冥王星的轨道之外的地方找到了称为“1992QB1”的天体，其直径为250千米左右，在距离太阳41至48天文单位处运转。后来在距海王星的轨道50天文单位左右的范围中陆续发现了同样的天体。到1999年7月2日为止已发现了174个。这些天体都被称为柯伊伯带天体。

　　2002年6月4日，以布朗为首的美国天文学家在比日地距离远40多倍的地方发现了一个名叫“侉瓦尔”的天体，其直径为1250千米，比自1930年发现冥王星以来所发现的所有天体加起来还要大。此外，他们还在比与日地距离远90多倍的地方发现了一个比“侉瓦尔”更大的被称作“塞德娜”的天体，直径约为2000千米，其成分可能由冰和岩石组成，比冥王星略小，体积约为冥王星的四分之三。“塞德娜”的温度常年低于零下240摄氏度。在发现“塞德娜”之后，其发现者还找到了“塞德娜”的一颗红色的微小卫星，在太阳系内，它的红色仅次于火星。

　　2005年7月29日他们又宣布，在比日地距离远将近100倍的地方发现了一个比“塞德娜”更大的天体“齐娜”，从亮度判断，它的直径至少相当于冥王星的1.5倍。通常，柯伊伯带只有小行星和彗星出没，但这颗新星的尺寸已超过冥王星，它是太阳系外围发现的第一个比冥王星大的天体。这颗新星表面可能与冥王星类似，由固态甲烷构成。这颗星之所以此前没有被注意，是因为它的轨道平面和其他行星的轨道平面成45度角，在地球上看来“出没无常”的缘故。现在，业余天文观测者可以在凌晨时分，在天穹东部的鲸鱼座看到这颗新星。“齐娜”的发现者认为，既然冥王星能称为行星，那么这颗比冥王星更大的新星理应称为太阳系的第十大行星。这就是所谓的“9+1=10”的说法。

　　有意思的是，不少天文学家还持有另一种意见。他们认为，无论是冥王星，还是“侉瓦尔”、“塞德娜”或“齐娜”都有一个共同特点，即它们在化学组成上既不像四颗类地行星水星、金星、地球和火星那样主要由岩石组成，又不像四颗类木行星木星、土星、天王星、海王星那样主要由氢、氦等气体组成，却像彗星的彗核，主要由水冰、甲烷及冻结的尘埃和岩石组成。它们实际上都是柯伊柏带天体，都不必称为行星。这样，太阳系便只有处于小行星带之内的四颗类地行星和处于小行星带之外、柯伊伯带之内的四颗类木行星。这就是所谓的“9+1=8”的说法。

　　究竟采用哪一种新的说法，还是维持老的九大行星说法，这需要由国际天文学会(IAU)作出决定。

　　2006年8月24日，在捷克首都布拉格召开的第26届国际天文学联合会大会上，来自各国天文界权威代表投票通过联合会决议(5号决议)：我们太阳系内的行星和其他天体按照下列方式划分为3个明确的类别。


　　(1)一颗行星是一个天体，它满足：(a)围绕太阳运转，(b)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，(c)所在轨道范围的邻里关系清楚。
　　(2)一颗矮行星是一个天体，它满足：(a)围绕太阳运转，(b)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，(c)所在轨道范围的邻里关系不清楚，(d)不是一颗卫星。
　　(3)其他围绕太阳运转的天体统称为“太阳系小天体”。按照上面的定义，冥王星是一颗矮行星，并作为海外天体中一个新类别的原型。


　　与会的许多天文学家在24日投票结果出来后鼓掌表示欢迎。发现齐娜的美国天文学家麦克尔·布朗认为，将冥王星降格在科学上是正确的决定。冥王星发现者的遗孀也表示可以理解。至此，“冥王星降格为矮行星，太阳系只有八大行星”已成定论，而太阳系九大行星的说法已成昨日黄花，有关太阳系的教科书则必须作出相应的修改。


　　在冥王星确定为矮行星之后，谷神星和阋神星接着被确定为矮行星。阋神星就是上面提到的比冥王星更大曾被称为“齐娜”的那个天体，而谷神星就是处在小行星带上曾被称为最大的小行星的那个天体。到2008年，行星系命名工作组又确定了矮行星的两个新成员：Haumea和Makemake。Makemake是2005年3月31日发现的，2008年7月11日定为矮行星，并被命名为乌神星。Haumea是2004年2月28日发现的，2008年9月17日定为矮行星，并被命名为妊神星。据推测，在已知的太阳系天体中，至少另外还有40个是候选的矮行星;随着时间的推移，必将有越来越多的天体被确认为矮行星。