我们大多数人在传统的行星定义中长大，行星是围绕恒星运行的天体，通过反射恒星的光芒而发光，并且比小行星更大。虽然这个定义可能不是很精确，但它清楚地将我们当时已知的星体进行了分类。然而，在 20 世纪 90 年代，一系列引人注目的发现使其站不住脚。在海王星轨道之外，天文学家发现了数百个冰冷的世界，其中一些相当大，占据了一个称为柯伊伯带的甜甜圈形区域。在其他恒星周围，他们发现了其他行星，其中许多行星的轨道看起来与我们太阳系中的轨道截然不同。他们发现了棕矮星，这模糊了行星和恒星之间的区别。他们还发现了在星际空间的黑暗中独自漂流的类行星天体。
这些发现引发了关于行星究竟是什么的辩论，并导致国际天文联合会（IAU，天文学家的主要专业学会）在去年八月做出决定，将行星定义为围绕恒星运行的天体，其质量足够大，可以稳定成圆形，并且至关重要的是，“清空了其轨道周围的区域”。具有争议的是，新的定义将冥王星从行星列表中移除。一些天文学家表示他们将拒绝使用它，并组织了一份抗议请愿书。
这不仅仅是一场关于文字的辩论。这个问题在科学上非常重要。新的行星定义反映了我们对太阳系和其他星系架构理解的进步。这些系统是通过旋转盘内的吸积形成的：小颗粒聚集在一起形成更大的颗粒，这些颗粒又聚集在一起形成更大的颗粒，依此类推。这个过程最终产生少量的大质量天体——行星——和大量的小得多的天体——小行星和彗星，它们代表了行星形成过程中留下的碎片。简而言之，“行星”不是一个随意的类别，而是一个客观的天体类别。
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地球何时成为行星
天文学家对行星性质的重新评估有着深刻的历史根源。古代希腊人认识到天空中七个相对于恒星背景图案移动的光点：太阳、月球、水星、金星、火星、木星和土星。他们称之为planetes，或漫游者。请注意，地球不在这个列表中。在人类历史的大部分时间里，地球不被视为行星，而是被视为宇宙的中心——或基础。在尼古拉斯·哥白尼说服天文学家太阳而不是地球位于中心之后，他们将行星重新定义为围绕太阳运行的天体，从而将地球列入名单，并删除了太阳和月球。望远镜观测者在 1781 年增加了天王星，在 1846 年增加了海王星。
1801 年发现的谷神星最初被认为是填补火星和木星之间空隙的缺失行星而受到欢迎。但当天文学家在第二年发现帕拉斯也在类似的轨道上运行时，他们开始产生怀疑。与望远镜显示为小圆盘的经典行星不同，这两个天体都显得像微小的光点。英国天文学家威廉·赫歇尔提议将它们命名为“小行星”。到 1851 年，它们的数量增加到 15 个，将它们都视为行星变得笨拙。然后，天文学家决定按发现顺序而不是像行星那样按距太阳的距离列出小行星——实际上接受了小行星作为一个独特的群体。如果我们仍然将小行星算作行星，那么研究太阳系的小学生现在将不得不应对超过 135,000 颗行星。
冥王星也有类似的故事。当克莱德·汤博在 1930 年发现它时，天文学家欢迎冥王星为长期以来寻求的“X 行星”，其引力可以解释海王星轨道中无法解释的特性。结果证明，冥王星不仅比其他八颗行星小，而且比它们七颗卫星（包括地球的卫星月球）还要小。进一步的分析表明，海王星轨道中的特性是虚幻的。六十年来，冥王星一直是行星系统外边缘的独特异常天体。
正如只有当谷神星被认为是众多小行星之一时才开始有意义一样，冥王星只有当天文学家发现它是众多柯伊伯带天体 (KBO) 之一时才归位[参见简·X·卢和戴维·C·朱维特的“柯伊伯带”；《大众科学》，1996 年 5 月，以及雷努·马尔霍特拉的“行星迁移”；《大众科学》，1999 年 9 月]。天文学家开始重新考虑是否应该继续称其为行星。从历史上看，撤销冥王星的行星地位并非史无前例；前行星的行列包括太阳、月球和小行星。然而，许多人认为应该继续称冥王星为行星，因为几乎每个人都已经习惯于将其视为行星。
2005 年发现的阋神星（以前称为 2003 UB313 或齐娜）是一个比冥王星还大的 KBO，这使问题达到了紧要关头。如果冥王星是一颗行星，那么阋神星也必须是一颗行星，以及其他数十个大型 KBO；反之，如果冥王星不是行星，那么其他 KBO 也不是行星。天文学家可以在什么客观基础上做出决定？
澄清误解
为了避免行星数量无限制地增加，西南研究所的艾伦·斯特恩和哈罗德·莱维森在 2000 年提出，行星可以定义为质量小于恒星但质量足够大，以至于其引力可以克服其结构刚度并将其拉成圆形的天体。大多数半径大于几百公里的天体都满足后一个标准。较小的天体通常具有崎岖的形状；它们中的许多基本上是巨大的巨石。
这个定义是 IAU 行星定义委员会在 8 月初倡导的定义，该委员会由哈佛大学的欧文·金格里奇担任主席。它本可以将冥王星保留为行星，但代价是可能承认数十个 KBO，并恢复谷神星（最大的小行星，也是唯一已知是球形的）的行星地位。
许多天文学家认为，圆形度标准是不充分的。实际上，很难观察遥远 KBO 的形状，因此它们的状态将仍然不明确。此外，小行星和 KBO 跨越了几乎连续的大小和形状范围。我们如何量化区分行星的圆形度？如果天体的形状与球体偏差 10% 或 1%，引力是否会支配该天体？自然界在圆形和非圆形形状之间没有提供未被占据的间隙，因此任何边界都将是任意选择。
斯特恩和莱维森提出了另一个标准，但这个标准确实导致了一种非任意的方式来对天体进行分类。他们指出，太阳系中的一些天体质量足够大，可以扫除或散射掉其大部分近邻。质量较小的天体无法做到这一点，它们占据着瞬态、不稳定的轨道，或者有一个重量级的守护者来稳定它们的轨道。例如，地球足够大，可以最终扫除或抛开任何过于靠近的天体，例如近地小行星。与此同时，地球保护其卫星月球免受扫除或散射。四颗巨行星中的每一颗都统治着一大群环绕卫星。木星和海王星还在称为稳定共振的特殊轨道上维持着它们各自的小行星和 KBO 家族（分别称为特洛伊和冥卫族），其中轨道同步性防止了与行星的碰撞。
这些动力学效应提出了一种实用的行星定义方法。也就是说，行星是一个质量足够大，可以支配其轨道区域的天体，通过抛开较小的天体、在直接碰撞中扫除它们或将它们保持在稳定的轨道上。根据基本的轨道物理学，大质量天体在其太阳系年龄内将较小的天体从其邻域偏转的可能性大致与其质量的平方（这决定了大质量天体在给定偏转量下的引力范围）成正比，并与其轨道周期（这控制着遭遇发生的速率）成反比。
从水星到海王星的八颗行星扫除或偏转附近小型天体的可能性比最大的小行星和 KBO（包括谷神星、冥王星和阋神星）高出数千倍。水星和火星本身质量不足以散射掉其附近的所有天体。但水星仍然足够大，可以扫除大部分穿过其轨道的附近小型天体，而火星具有足够的引力影响，可以将经过的天体偏转到附近的不稳定轨道，包括一些周期正好是木星周期的三分之一或四分之一的轨道。然后，巨行星的引力完成了将这些天体从火星附近弹出的任务。
天体清空其邻域的能力取决于其动力学环境；这不是天体的内在属性。然而，动力学能力上的巨大差距为区分行星与其他天体提供了一种明确的方法。我们不需要做出任意的区分，因为至少在我们自己的太阳系中，大自然为我们做到了这一点。
它们王国中的王者
加州理工学院的天文学家迈克尔·布朗在 2004 年提出了一个密切相关的标准。他将行星定义为“太阳系中任何质量大于类似轨道中所有其他天体总质量的天体”。为了使其更精确，我建议用轨道区域的概念替换“类似轨道”。如果两个天体的轨道曾经交叉，如果它们的轨道周期相差小于 10 倍，并且它们不在稳定的共振中，则它们共享这样一个区域。为了应用这个定义，我对已知的围绕太阳运行的小天体进行了普查。
例如，地球与其轨道区域共享估计有 1,000 颗直径大于一公里的小行星，其中大多数是最近从火星和木星之间的小行星带到达的。它们的总质量不到我们星球质量的 0.0001%。天体的质量与其轨道区域中所有其他天体质量之比可以缩写为 ?。对于地球，? 大约为 170 万。事实上，地球似乎在太阳系中具有最高的 ? 值。木星的质量是地球的 318 倍，但它与其轨道区域共享着更大的天体群。火星是所有行星中 ? 值最低的行星 (5,100)，但即使这样也远大于谷神星 (0.33) 或冥王星 (0.07) 的值。结果是惊人的：行星与小行星和 KBO 处于不同的等级，而冥王星显然是一个 KBO。
这些论点说服了 IAU 根据“清空”其轨道邻域来定义行星。IAU 可能需要修改定义，以明确规定什么程度的清空才能使天体有资格成为行星。我建议将截止值设置为 ? 值为 100。也就是说，如果一个天体在其轨道区域中占质量的 99% 以上，那么它就是我们太阳系中的行星。但这个截止值的确切值并不关键。介于 10 到 1,000 之间的任何值都将具有相同的效果。
因此，行星是扫除或散射掉其轨道区域中大部分质量的天体。将天体干净地划分为行星和非行星揭示了形成太阳系过程的重要方面。所有这些天体都从围绕原始太阳的扁平气体和尘埃盘中生长出来。在争夺有限的原材料的竞争中，一些天体胜出。它们的生长变得自我加强，因此结果不是所有大小的天体的连续谱，而是一个支配每个轨道区域的单个大天体。较小的天体被较大的天体扫除，从太阳系中喷射出来或被太阳吞噬，幸存者成为我们今天看到的行星。小行星和彗星，包括 KBO，是剩下的碎片。
我们的太阳系现在正处于吸积的最后清理阶段。小行星具有相交的轨道，使其能够相互碰撞并与行星碰撞。柯伊伯带是原始吸积盘外围部分的残余物，那里的物质过于稀疏，无法形成另一颗行星。我们太阳系的行星具有不相交的轨道，因此无法碰撞。作为动力学上占主导地位的天体，它们的数量必须很少。如果另一颗行星试图挤入现有行星之间，引力扰动最终将使其轨道不稳定。
类似的情况似乎也适用于其他行星系统。到目前为止，观测者已经发现了大约 20 个拥有不止一颗行星的系统。在大多数系统中，行星具有不相交的轨道，在三个例外情况中，重叠的轨道似乎是共振的，允许行星在不碰撞的情况下生存。所有已知的类太阳恒星的非恒星伴星都足够大，可以偏转附近的小天体。根据动力学支配地位的标准，它们可能符合行星的资格。
结局
行星实际上是恒星周围圆盘吸积的最终产物。这个定义仅适用于成熟的系统，例如我们的系统，在这些系统中，吸积已经有效地完成。对于较年轻的系统，吸积仍然很重要，最大的天体严格来说不是行星，而是称为行星胚胎，而较小的天体称为星子。
IAU 的定义仍然包括圆形度作为行星的标准，尽管严格来说，这是不必要的。轨道清空标准已经区分了行星与小行星和彗星。该定义还消除了区分行星与恒星和棕矮星的质量上限的需要。围绕恒星近距离运行的相对罕见的棕矮星伴星可以归类为行星；与更宽轨道中的棕矮星不同，它们被认为是通过圆盘吸积形成的。
简而言之，行星和非行星之间的区别在理论上和观测上都是可以量化的。我们太阳系中的所有行星都具有足够的质量来扫除或散射掉其轨道区域中的大部分原始星子。今天，每颗行星所包含的质量至少是其附近所有碎片质量的 5,000 倍。相比之下，小行星、彗星和 KBO（包括冥王星）生活在可比天体群中。
对任何此类定义的一个主要反对意见是，天文天体应仅按其内在属性（如大小、形状或组成）进行分类，而不应按其位置或动力学环境进行分类。这种论点忽略了一个事实，即天文学家将所有围绕行星运行的天体都归类为“卫星”，尽管其中两个比水星行星还大，而且许多是捕获的小行星和彗星。环境和位置显然很重要。事实上，距太阳的距离决定了近距离天体变成了小型岩石行星，而更远的天体变成了富含挥发性冰和气体的大型行星。新的定义区分了行星（它们在动力学上支配着大量的轨道空间）与小行星、KBO 和喷射的行星胚胎（它们没有）。这八颗行星是圆盘吸积的主要最终产物，并且与大量的小行星和 KBO 有明显的不同。
九大行星的历史定义无疑保留了强烈的怀旧吸引力。但是，为将冥王星纳入其中而制定的临时定义往往会向公众掩盖自 20 世纪 90 年代初以来我们对太阳系的起源和架构的理解发生的深刻变化。
76 年来，我们的学校一直教导冥王星是一颗行星。有些人认为文化和传统足以使其保持这种状态。但是，科学不能仍然受过去误解的束缚。为了有用，科学定义应该从自然世界的结构中得出，并引起人们对自然世界结构的关注。当我们需要反映从新发现中产生的更好理解时，我们可以修改我们的定义。关于行星定义的辩论将为教育工作者提供一个教科书式的例子，以展示科学概念不是刻在石头上的，而是不断发展的。