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本文的正文部分是应《21世纪经济报道》评论与研究版的约稿而写的, 发表于二零零六年八月二十八日, 发表时编辑所选的标题为 “冥王星落选记”。 本站版本包含了注释、 补注及后记, 并在人名及若干术语初次出现时附有英文。 本文的发表稿与本站版本有一定的出入, 详见 后记 中的说明。

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行星俱乐部的新章程

- 卢昌海 -

太阳系有九大行星, 这是每一位小学生都知道的天文事实。 太阳系上一个行星的发现, 是在 1930 年。 那一年美国天文学家汤博 (Clyde Tombaugh, 1906-1997) 发现了冥王星 (Pluto)。 自那以来, 太阳系的行星数目一直没有改变过, 但天文学家们对冥王星的行星身份却一直有着争议。

产生争议的主要原因是冥王星实在太 “轻”, 它的质量不仅远比其它八个行星都小, 甚至比月球还小得多。 在太阳系中, 质量比冥王星大的卫星就有七个之多。 一个比许多卫星还小的天体是否该被称为行星呢? 这是争议的缘起。 不过冥王星的质量虽小, 在直接环绕太阳运动的天体中终究还是排行第九, 而且比排在第十的谷神星 (Ceres)[注一] 大了十几倍, 更何况冥王星占据行星宝座几十年, 早已约定成俗。 因此争议归争议, 九大行星的称谓一直延续了下来。

但是自上世纪九十年代以来, 天文学家们在太阳系边缘的一个称为柯伊伯带 (Kuiper belt)[注二] 的区域中发现了许多新的天体, 其中较大的一些天体直逼冥王星的大小。 二零零五年, 几位美国天文学家在两年前的观测资料中发现了这类天体中迄今所知最大的一个。 这一天体的编号为 2003 UB313, 许多人暂时把它叫做齐娜 (Xena)。 根据初步测定, 2003 UB313 的质量与直径均比冥王星略大。

2003 UB313 的发现立即引发了新一轮的行星定义之争。 因为 2003 UB313 既然比冥王星还大, 我们显然没有理由不把它称为行星 (事实上, 许多媒体已经早早地为这一天体冠上了 “第十大行星” 的美誉)。 反过来, 如果我们不把 2003 UB313 称为行星, 那么冥王星的行星资格也应该被剥夺。 无论哪一种观点, 都对有着七十六年历史的太阳系九大行星格局构成了严重挑战。

另一方面, 除了太阳系的新成员外, 自上世纪九十年代以来, 天文学家们在其它恒星周围也发现了行星, 截至目前为止, 那样的行星数量已经超过了两百。 所有这些发现, 都使得行星这一概念远远超出了长期约定成俗的范围。 因此, 提出一个合理的行星定义, 不仅是解决太阳系新天体 “身份问题” 的需要, 也有助于我们对太阳系以外的类似天体进行分类。 有鉴于此, 国际天文联合会 (International Astronomical Union) 在过去两年里一直在酝酿一个新的行星定义, 并于今年八月十六日公布了一份定义草案。

按照这份草案, 一个绕恒星运转的天体要成为行星必须具备几个条件。 首先, 行星的内部不能有象恒星内部那样的热核反应, 这是行星与恒星的本质区别。 这一条件要求行星的质量不能太大, 太阳系里除太阳以外的所有天体都很好地满足这一条件[注三]。 其次, 我们不想把环绕太阳运动的每一块陨石都当做行星, 因此行星的质量也不能太小。 但什么样的质量才不算 “太小” 呢? 草案采用了一个非常聪明的方法来界定。 我们知道, 所有行星的形状都很接近球形, 这是因为当行星表面的不规则性 - 比如山峰 - 大到一定程度后, 会因物质的刚性无法支撑自身的重量而坍塌。 行星的质量越大, 引力越强, 这种效应就越显著, 而许多小行星或小卫星之所以具有不规则的外形, 就是因为质量太小, 从而引力太弱。 受此启发, 新定义把星体在自身引力作用下成为球形, 作为确定行星质量下界的自然标准。 研究表明, 这样定义的质量下界大约是五十亿亿吨 (5×1020kg), 相当于冥王星质量的二十五分之一[注四]。 因此, 按照这一草案, 冥王星依然是行星, 2003 UB313 也将轻松获得行星俱乐部的入场券。 不仅如此, 在小行星世界里当了两百多年 “老大” 的谷神星也将一步登天, 成为行星 (谷神星的质量约为九十五亿亿吨, 接近上述质量下界的两倍)。

有读者可能会问: 既然连谷神星都可以算行星, 那么我们的月球 - 质量比谷神星大七十多倍, 甚至比冥王星和 2003 UB313 还大的月球 - 是不是也可以荣升为行星呢? 答案是否定的。 因为除了质量外, 行星定义还有一个显而易见的组成部分, 那就是行星必须不是卫星, 也就是说它不能围绕其它行星运动。 月球不满足这一要求, 因此不能升格为行星。

应该说, 上述草案有一个很大的优点, 那就是采用了尽可能自然的标准, 比如通过引力效应来定义质量下界, 而不是人为规定一个数值。 尽管如此, 草案还是一公布就遭到了激烈的反对。 因为按照这份草案, 太阳系的行星数目将很快出现戏剧性的增长。 除了 2003 UB313 外, 在柯伊伯带上还有许多其它天体将会满足该草案的要求, 虽然它们此次未被提名。 此外, 小行星带上除谷神星外还有几颗较大的小行星也可能满足草案的要求。 据某些天文学家的估计, 满足草案要求的太阳系行星数目最终可能会达到几百。 显然, 如此庞大的行星队伍不仅与人们对行星的传统理解脱节, 也会削弱行星这一概念的有效性与方便性。 因此, 在经过几天的激烈争论之后, 天文学家们在上述草案的基础上又增加了一项要求: 即行星必须 “扫清了自己轨道附近的区域” (has cleared the neighbourhood around its orbit)[注五]。 也就是说, 在行星的轨道附近必须不存在质量与之相当的其它天体。 这一条大体上也是一个质量条件, 质量越大的天体扫清轨道的能力通常就越强。 这一条对太阳系的其它八大行星都不成问题, 但冥王星却不满足。 因为冥王星的轨道与海王星及柯伊伯带上的许多大型天体的轨道都有交错, 它的轨道区域显然没有扫清。 就这样, 可怜的冥王星失去了坐了七十六年之久的行星宝座, 太阳系的行星只剩下了八个。 同时遭遇不幸的还有差点就看到曙光的谷神星和半路夭折的 “第十大行星” 2003 UB313。 天文学家们为这些满足其它条件, 但没能扫清自己轨道区域的天体设立了安慰奖, 叫做矮行星 (Dwarf Planet)。 谷神星、 冥王星及 2003 UB313 成为了太阳系的第一批矮行星[注六]。 至于围绕太阳运动的更小的非卫星天体, 则被称为太阳系小天体 (Small Solar System Bodies)[注七]

上述定义已于二零零六年八月二十四由国际天文联合会投票通过, 正式成为了行星俱乐部的新章程。

注释

  1. 谷神星是太阳系中最大的小行星。
  2. 柯伊伯带是太阳系边缘从海王星轨道延伸至大约 55 天文单位处的一个区域, 广义地讲, 也包括更遥远的所谓 scattered disk。
  3. 在研究太阳系以外的行星时, 会遇到行星与褐矮星 (brown dwarf) 的区分问题, 此次的行星定义没有涉及这一问题。
  4. 这一质量对应的天体直径约为八百公里。 不过这些具体数值都只是粗略估计, 星体的物质组成会显著影响这一估计。 一般来说, 对质量接近这一下界的天体需要进行个案分析。 另外要注意, 只有在自身引力作用下成为球形的天体才满足这一条。 质量很小, 但碰巧是球形的天体不在其列。
  5. 与其它各条相比, 这一条比较人为, 因为什么叫做 “轨道附近的区域”? 什么叫做 “扫清”? 都没有很自然的标准。 从国际天文联合会对新定义的讨论过程及此前出现的几篇相关论文来看, “扫清” 一词指的是行星在其轨道附近的区域中处于支配性 (dominant) 的地位。 对于太阳系来说, 判定这一点的满足与否恰好没什么困难, 但对于更普遍的情形, 这一条将需要进一步的界定。
  6. 国际天文联合会在最初提出草案时曾对卫星进行了定义, 要求卫星与行星的质心位于行星内部, 并据此将冥王星的卫星卡戎 (Charon) 由卫星提升为行星 (因为卡戎与冥王星的质心位于冥王星之外)。 但在与新定义同一天公布的第一批矮行星名单中却没有包括卡戎, 看来这一卫星定义已被放弃或搁置, 卡戎暂时恢复了卫星身份 (只不过它现在变成了矮行星的卫星)。
  7. “太阳系” 一词在这里的使用是值得商榷的, 因为这一定义, 以及这一系列定义中的各条 (除 [注三] 提到的问题外) 都不依赖于太阳系特有的性质。 即使是含义相对含糊的 “扫清” 一词, 在原则上也是与太阳系无关的。

补注

  1. 我发现不少网站在转载《21世纪经济报道》的 “冥王星落选记” 时, 把标题定为了: “哥伦比亚大学物理系博士卢昌海: 冥王星落选记”。 这容易造成我目前还在哥伦比亚大学物理系的错觉, 因此在这里我声明两点: 第一, 我早已毕业并离开哥伦比亚大学; 第二, 我向任何媒体提供的任何文章都不会在标题中提及诸如 “哥伦比亚大学物理系博士” 之类的个人信息, 凡此类文字均为媒体所做的擅自添加。 [2006-09-01]
  2. 本文发表后, 一位读者来信询问行星新定义投票率偏低一事。 这一点在多数报道 (包括我的文章) 中都未提及。 现在我将给这位网友的回信 (略有修改) 附在这里作为补充:

    这次投票的投票率的确不高, 具体情况可以参看下面这段 wikipedia 的介绍:

    The final vote has come under criticism because of the relatively small percentage of the 9000-strong membership who participated. Besides the fact that most members do not attend the General Assemblies, this lack was also due to the timing of the vote: the final vote was taken on the last day of the 10-day event, after many participants had left or were preparing to leave. Of over 2,700 astronomers attending the conference, about 800 were present on the day for the significant resolutions on a vote on a subsidiary resolution, the first that required a count, only 424 votes were cast. There is also the issue of the many astronomers who were unable or who chose not to make the trip to Prague and, thus, cast a vote. Astronomer Marla Geha has clarified that not all members of the Union were needed to vote on the classification issue: only those whose work is directly related to planetary studies.

    总的来说, 我觉得这样的投票率未必是一个问题。 因为一来如上面所说, 并非国际天文联合会的所有会员都关心或了解行星定义问题, 从而并非所有会员都有必要投票。 二来最后的投票者虽然只有几百, 但仍是一个不小的样本。 除非有迹象表明这个样本存在系统性的偏向, 否则更多的人参与投票只会导致反对票与支持票的总数各有增加, 而不太可能对两者的相对比例造成显著改变, 即不太可能改变投票结果。 [2007-01-08]

后记

这篇文章是八月二十二日接的稿, 当时约定的交稿时间是八月二十四日。 本文初稿 (完成于二十二日当天) 依据的是国际天文联合会八月十六日公布的定义草案。

由于八月二十四日是国际天文联合会就行星新定义进行表决的日子, 因此我在交稿邮件中提出, 如果稿件的发表是在表决之后, 我要在发表前视表决情况而定对稿件做一次修改。 不过, 当时我设想的修改只是把文章中与等待表决有关的少数语句及预留余地的几处文字改掉, 不曾预期任何大的修改。

八月二十三日早晨, 我浏览新闻时忽然看到一条有关冥王星行星地位不保的消息。 这让我吃了一惊, 心想还没投票呢, 怎么地位就已经不保了? 点进去一看, 原来在国际天文联合会的内部讨论中, 八月十六日的草案遭到了大比例的反对, 新草案增加了行星必须是自己轨道附近的支配性天体 (具体的表述当时尚未确定) 这一新条件。 这一条件立即将原草案有意提拔为行星的谷神星、 卡戎及 2003 UB313 打入冷宫, 还搭上了倒霉的冥王星 (看来原草案的拟定有点闭门造车的意味, 居然会临时遭到如此大比例的反对)。 由于讨论仓促, 国际天文联合会还临时决定将行星定义局限在太阳系中 (不过除了没有对行星及褐矮星进行分类 - 这在原草案中就如此 - 外, 该定义并不依赖于任何太阳系特有的性质)。 于是我立即给编辑写了一封邮件, 告诉他们务必等我的修改稿。

八月二十四日美东时间上午九时是国际天文联合会投票的时间。 上午我恰好有事要办, 等我办完事情已是早上十点多了, 心想六十亿公里以外的冥王星的 “命运” 此刻已经尘埃落定了。 回到办公室上网一看, 到处都是冥王星的消息。 中文媒体的报道速度也极快, 对主要新闻及时做了翻译, 不过翻译的质量比较粗糙, 如新浪网采用的国家天文台一位博士的译文把新定义中极为关键的 (冥王星就是栽在这一条上) “has cleared the neighbourhood around its orbit” 译成了 “所在轨道范围的邻里关系清楚”, 实在是不应有的失误。 傍晚, 我寄出了修改后的文稿。

第二天, 编辑来信告知对文稿作了局部次序的调整, 并将新文稿附在了邮件中。 但我没能找到附件, 估计不是编辑忘了加, 就是被邮件服务商当成病毒过滤掉了。 于是我请编辑将新文稿直接放在邮件中重发一次, 可惜恰逢编辑外出采访, 未能及时收到我的邮件, 因此本文的发表稿与我提供的文稿 (即本网站版本的正文部分) 之间存在一些未经我复核的变更。 除了文稿内容的变更外, 编辑也为发表稿另拟了标题, 为: 冥王星落选记。 不过我在本站版本中维持了原先的标题, 这是考虑到 “落选” 一词通常是指竞选某个尚未得到的位置时落败, 而冥王星原本就是行星, 似乎不应该算是 “落选”。

二零零六年八月二十八日写于纽约

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