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冥王星为什么不再是太阳系的大行星?

本帖由 漂亮的石头2023-06-21 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] HJ·X,教师

    五个原因:

    1、太小。当初发现的时候,以为和地球差不多大,但发现冥卫一之后,可计算出冥王星质量——只有地球的千分之二。如果冥王星是行星,那么七大卫星就可以比行星大很多,这违背通常的直觉:行星应该是卫星的家长。按照新的行星定义,踢出冥王星之后,最小的行星比最大的卫星要更重。(单论体积,土卫六和木卫三比水星大,但是水星密度惊人,论质量,最小行星水星比这两个最大卫星加起来还重)

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    大小比例图:海卫一(第七大卫星)、冥王星、月球(第五大卫星)网图侵删

    2、兄弟太多。行星就应该矫矫不群,新的行星定义要求是本轨道的绝对王者,但冥王星的轨道斜斜地跨多区域:内区域的王者是海王星,外区域有一群兄弟不相上下——冥王星和阋神星只是排前列而已,而这个群体的真正老大,其实是第七大卫星海卫一,已经被海王星俘获为卫星。

    历史上,当初发现谷神星之后,又发现了大量其它的小行星带天体,它们与谷神星轨道相似、大小接近(尽管都比谷神星小),于是当了 50 年行星的谷神星被降级。(1801-1850)

    冥王星与之类似,发现了大量其它的开普带 - 散射盘天体,它们与冥王星轨道相似、大小接近(而且阋神星比冥王星还大),于是当了 76 年行星的冥王星被降级。(1930-2006)

    开普带 - 散射盘中的很多天体都被迫与内侧的王者海王星轨道共振,冥王星与海王星共振比是 3:2,这也显示出明显的“主仆关系”(类似于小行星带是木星的仆从)。

    3、轨道太歪。这是纯粹出于美感,行星判定规则中没有这一条。

    八大行星轨道近似共面、且近似为正圆。与它们相比,冥王星的轨道倾角和离心率都是最大的。过去画的九大行星,只有冥王星脱靶(八大行星轨道组成同心圆,像一个靶图)。横着看,就它大大翘出这个共同的轨道面;俯视看,就它扁扁地,一侧侵入到海王星内侧。

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    网图侵删

    其实在这种美感的秩序背后,隐藏着古老的权力斗争。按照现在的太阳系演化模型,刚形成时,围绕太阳运行的较大天体有数十个之多,然后经历不断的群雄争霸,不断的碰撞、吞并、臣服、驱赶……最终尘埃落定,在中央密集区形成大国(大行星)分立的格局,各国磨合出稳固的疆域(轨道区域),强权带来秩序,秩序产生美感。相反,蛮荒之地游移着的诸多原始部落,则维持着散乱的局面。这正是新的行星定义如此看重轨道霸权的原因。

    4、唯一的选择。(此段比较繁杂,没耐心可跳过不影响阅读)

    太阳系有太多天体围绕太阳运转,大到木星、小到流星甚至星际尘埃,肯定不能都称之为行星,显然需要在这个从大到小的渐变序列中划出一条界线,以此区分行星与非行星。

    一个划界的选择是星球 vs 非星球,更专业的说法是流体静力平衡,一般来说天体够大就有足够的引力把自身拉成球体,天然可以作为天体类型分野的界限。这个区分非常直观,而且一开始也很受追捧。但仔细分析,这一简明思路的可操作性很差:带有巨大地形起伏的微小星球与完全非球的陨石之间没有绝然的界线,所以最终划界判断的人为因素仍然非常大,比如现在的一些已经有明确外形 3D 照片的卫星、小行星,是否算流体静力平衡仍在争议;能否变成球形,除了大小原因之外,还有组成物质种类和地质历史的原因,接近液态的物质就更容易呈现球形、内部受到引力潮汐拉扯而高温熔化的天体也容易变成球体、某些天体内部正在发生极为缓慢的地质运动向球形演变……现在已知的最小的星球土卫一直径 400km,最大非球天体灶神星直径 550km 反而比星球大得多。不幸的是,直径位于这个纠结区段的新发现天体极多,在其中强行划界必将带来无尽的烦恼和争议。更无法承受的是,“太阳系有几颗行星”是启蒙教育都要回答的问题,几乎是全社会的重压。(现在的矮行星与小天体的区分采用这个分界,因为不敏感,慢慢争议不怕拖)

    第二个划界的选择简单明了:纯粹用统计学依据大小分档(或者尺寸大小、或者质量大小)。以天体大小为横坐标(对数坐标),把围绕太阳公转的天体排列成一个大小分布图,观察其中哪些区段分布的天体集中,哪些区段没有天体分布,出现空档,然后选择最大的空档作为分界。如此划分直击主干,干脆利落;缺点是,这个方式很不天文,也不够自然,能否向其它恒星系统推广存疑,最终划出的界线值仍应该算是人为指定。

    第三个划界,就是看轨道霸权:某些特殊天体(行星)清空轨道,在其轨道区间,其质量占据压倒性绝大部分;其它天体在自身的轨道区间的质量占比远低于一半。一些计算公式涉及行星动力学,比如行星判别式计算结果是两类天体相隔 4 个数量级的空档。如此显著的区分是这种分界最大的优点,但相关公式稍显复杂,偏离基础定义该有的简洁。

    第二划界和第三划界都有小缺陷,但也是仅有的具有可操作性的分界,好在两者的划界结果完全一样,这就给我们最终作出如此选择的信心:口头上说着比较模糊的清空轨道,计算时用精确而复杂的动力学公式,心里想着的是清晰的大小分档。

    其实也可以不严谨地这么理解——清空轨道是因,清晰分档是果,两种划界实为一体两面:清空轨道过程中,较小的天体被驱赶、吞噬、击碎、俘获而逐渐消逝,较大的天体坐镇中线、凭借更强的引力主动吸积吞噬而越来越大,从而,马太效应造成显著的阶级分化。

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    大小比例图:土卫一(最小确证星球)、灶神星(最大确证非球)

    5、无法妥协。新的行星定义的出台,其实是经历了较大的曲折和最终的峰回路转:当时有不少文化界的参与,一度倾向于保留冥王星的行星地位,并增加行星的数量;但最终天文学界为了避免更长远的纠缠不清,快刀斩乱麻,一举扭转了局势。

    冥王星比阋神星还小,如果冥王星保留行星地位,那么阋神星就不得不加入,而且众小弟也差别不大,也将会逐个加入。那么保守估计,恐怕行星个数远超 50 个,问题是,这些都是小喽啰,远远无法与八大行星匹敌,而此时的行星轨道全画出来就是一团乱麻(下图红色)。九大行星难以打破,阻力恐怕主要来自文化领域,但保留冥王星地位的潜在阻力,也少不了文化领域:八大行星各自太独特、太庞大、太充满故事,拉进来一大堆千星一面的小喽啰实在是有损行星这个名称的尊严。

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    这么说吧,乱糟糟的五十多个兄弟,包括冥王星阋神星,全部堆在一起还没有月球重,却都要做月球的叔叔,月球情何以堪……

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    质量比较图,橙色为月球,其它为全部矮行星 + 候选矮行星。维基百科图片,侵删
     
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