矮行星：分类的模糊边界

科学摘要

本文根据IAU（2006年）的标准，探讨了矮行星的天文学分类：绕太阳运行、由流体静力平衡维持的球形以及轨道未被清空。迄今为止，只有五个天体被IAU正式认定为矮行星：谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星。文章详细介绍了它们的物理和轨道特征、在柯伊伯带、离散盘或小行星带中的分布，以及约十个尚未正式认定的可能候选者。文章强调了这些天体作为太阳系形成见证者的作用，并讨论了谷神星和健神星等地位可能发生变化的特殊情况。

什么是矮行星，为什么天文学分类是一条模糊的边界？

本文提出的核心问题是定义什么是矮行星，并理解为什么这种分类代表了天文学中一个不断变化的概念边界。直接的答案在于国际天文学联合会（IAU）2006年的决定，该决定为天体成为行星确立了三个标准：绕太阳运行、具有足够的质量以呈现球形（流体静力平衡）、以及已“清空”其轨道上的其他碎片。矮行星满足前两个标准，但未能满足第三个。这个定义虽然原则上精确，但在实践中难以应用，因为从地球验证流体静力平衡并不总是容易的，而且IAU迄今为止只对五个天体（谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星）做出了判定。其他大约十个天体（如共工星、创神星、赛德娜、亡神星或小行星健神星）被大多数天文学家认为很可能符合标准，但由于缺乏足够精确的观测或IAU内部缺乏正式共识，尚未获得官方地位。本文通过展示主要候选者的比较表，并讨论谷神星和健神星等案例，来探索这一边界。因此，分类不仅取决于物理标准，还取决于我们测量它们的能力以及一个可能发展缓慢的制度流程，这使得这种划分既具有科学性又具有惯例性。

IAU对矮行星的定义

根据国际天文学联合会（IAU）的定义，矮行星是满足以下条件的天体：它绕太阳运行，具有足够的质量，使其重力能够克服刚体力，从而呈现近乎球形的形状（流体静力平衡），尚未清空其轨道上的其他碎片，并且不是其他行星的卫星。

太阳系中被遗忘的天体

一个中间且有争议的地位

矮行星在天体等级中占据着独特的地位。它们由国际天文学联合会于2006年定义，绕太阳运行，具有足够的质量以保持球形，但尚未“清空”其轨道。这种介于大行星和小天体之间的中间地位有时会使其分类备受争议，就像冥王星的标志性案例一样。迄今为止，只有五个天体被IAU正式授予此地位：谷神星（2006年）、冥王星（2006年）、阋神星（2006年），以及鸟神星和妊神星（2008年）。

分布和科学重要性

大多数矮行星位于柯伊伯带或更远的地方（如阋神星），但迄今为止唯一的例外是谷神星，它位于火星和木星之间的小行星带。它们在理解行星形成和太阳系初始条件方面发挥着重要作用。它们通常富含冰、硅酸盐和有机化合物的成分，使其成为太空探索的宝贵目标。

主要矮行星和候选者的比较表

只有谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星是IAU正式承认的矮行星。下表中的其他天体，虽然被天文学家广泛认为很可能符合所需的物理标准，但尚未获得单独的官方地位；它们是可能的候选者。

谷神星与小行星带的案例

谷神星：被发现的第一颗矮行星

谷神星是位于火星和木星之间的小行星带中最大的天体。其直径约940公里，具有足够的质量和重力来维持近乎球形的形状，这是流体静力平衡的特征。正是因为这个原因，国际天文学联合会（IAU）于2006年正式将其归类为矮行星。它在小行星带中的稳定位置和绕太阳运行的轨道证实了它在太阳系这一区域的独特地位。

妊神星：最奇怪的矮行星

细长的形状和意想不到的环

太阳系主要矮行星和候选者的特征
名称	IAU状态	直径	距太阳平均距离	位置	轨道类型	发现日期
冥王星	官方	2,377 公里	59.1亿公里	柯伊伯带	共振（与海王星3:2）	1930年
阋神星	官方	2,326 公里	101.2亿公里	离散盘	SDO（偏心且倾斜的轨道）	2005年
妊神星	官方	~2,322 × 1,704 × 1,138 公里（极长）	64.5亿公里	柯伊伯带	共振（12:7）	2004年
共工星	候选	1,230 公里	106.7亿公里	离散盘	SDO	2007年
鸟神星	官方	1,434 公里	68.5亿公里	柯伊伯带	冷经典	2005年
创神星	候选	1,110 公里	64.3亿公里	柯伊伯带	热经典	2002年
2002 MS₄	候选	934 公里	64.1亿公里	柯伊伯带	经典	2002年
谷神星	官方	940 公里	4.14亿公里	小行星带	稳定圆形轨道	1801年
赛德娜	候选	~995 公里（约束不佳）	136亿公里	内奥尔特云	分离（分离TNO）	2003年
亡神星	候选	910 公里	58.7亿公里	柯伊伯带	共振（与海王星3:2）	2004年
健神星	候选（2019年）	~430 公里	4.7亿公里	小行星带	稳定圆形轨道	1849年
萨拉西亚	候选	850 公里	64.8亿公里	柯伊伯带	热经典	2004年
瓦尔达	候选	740 公里	66.9亿公里	柯伊伯带	经典	2003年
伊克西翁	候选	620 公里	59.1亿公里	柯伊伯带	共振（与海王星3:2）	2001年
伐楼那	候选	668 公里	64.1亿公里	柯伊伯带	热经典	2000年

妊神星值得特别提及。它的形状远非球形：其极快的自转（仅3.9小时，是已知同尺寸天体中自转最快的之一）将其拉伸成一个非常细长的三轴椭球体，其长轴达到约2,322公里——与冥王星的直径相当——而其短轴仅约1,138公里。2017年1月由欧洲望远镜网络观测到的一次恒星掩星现象精确了这些尺寸，并出乎所有人意料地揭示了妊神星周围存在一个环：这是迄今为止已知的如此小的天体拥有环的首例发现，此前这种现象仅已知存在于巨行星和像女凯龙星这样的少数半人马小行星周围。这个环宽约70公里，与妊神星的赤道及其最大卫星希亚卡的轨道共面。

健神星，意外的候选者

一颗符合所有标准的小行星

健神星长期以来被认为是一颗普通小行星，是继谷神星、灶神星和智神星之后主带中第四大质量天体，但在2019年带来了一个惊喜。由皮埃尔·维尔纳扎领导的团队利用ESO甚大望远镜的SPHERE仪器获得的高角分辨率观测显示，健神星具有近乎球形的形状，没有任何大型撞击盆地，其球度指数接近谷神星。直径约430公里的健神星将满足IAU的所有四个标准，如果其地位有一天得到官方认定，它可能成为太阳系中最小的矮行星。模拟表明，其圆形形状和伴随它的大量小行星家族可能是大约20亿年前一次重大碰撞的结果，那次碰撞完全粉碎并随后重新形成了母体。

为什么灶神星和智神星（还）不是矮行星？

灶神星的案例很好地说明了流体静力平衡标准的微妙之处：其质量乍看之下足够，但其南半球被巨大的雷亚西尔维亚撞击盆地深深变形，这打破了预期的球对称性。因此，灶神星通常被排除在严肃候选者名单之外，并继续被归类为分化的原行星而非矮行星。智神星也呈现出不规则的、布满陨石坑的形状，明显偏离了流体静力平衡。因此，健神星成为继谷神星之后主带中最强有力的候选者。无论如何，这些天体都尚未被IAU正式重新分类，IAU仅对目前公认的五颗矮行星进行了个案判定。

参考文献

Ortiz, J. L. et al. (2017). The size, shape, density and ring of the dwarf planet Haumea from a stellar occultation. Nature, 550, 219–223. DOI: 10.1038/nature24051
Vernazza, P. et al. (2019). A basin-free spherical shape as an outcome of a giant impact on asteroid Hygiea. Nature Astronomy, 4, 136–141. DOI: 10.1038/s41550-019-0915-8
NASA Science. Dwarf Planets. science.nasa.gov
International Astronomical Union. IAU 2006 General Assembly: Result of the IAU Resolution votes. iau.org
Minor Planet Center. List of Trans-Neptunian Objects. minorplanetcenter.net
JPL Small-Body Database. ssd.jpl.nasa.gov

常见问题：关于矮行星的一切

根据IAU，行星和矮行星的根本区别是什么？

关键区别在于轨道清空。行星具有足够的质量来在引力上主导其轨道，并清除或捕获附近的小天体。矮行星，如冥王星，与其他天体（如柯伊伯带中的天体）共享其轨道，并未进行这种清空。

IAU正式承认多少颗矮行星？为什么这么少？

IAU仅正式承认五颗矮行星：谷神星、冥王星、妊神星、鸟神星和阋神星。这个数量少并不意味着不存在其他矮行星。许多天文学家，包括阋神星的共同发现者迈克·布朗，估计离散盘和奥尔特云中可能有一百个甚至数千个天体符合标准。但IAU仅对这五个天体进行了个案判定，这是因为缺乏对其他候选者形状的足够精确测量以及缺乏系统的重新分类过程。

为什么谷神星位于小行星带却被视为矮行星？

谷神星是小行星带中最大的天体，直径约940公里。它的质量足以让自身引力赋予它球形（流体静力平衡），这满足了IAU的第二个标准。然而，由于它与数千颗其他小行星共享轨道，它并未“清空”其轨道邻域，这使其被归入矮行星类别。

未来还有哪些其他候选者可能被归类为矮行星？

在小行星带中，健神星是目前最认真的候选者：2019年VLT的观测显示它几乎和谷神星一样呈球形。另一方面，灶神星和智神星通常被排除在外，因为它们因重大撞击而变形的形状过于偏离流体静力平衡。在海王星之外，像共工星、创神星、赛德娜或亡神星等约十个天体被科学界广泛认为是矮行星，但它们能否正式重新分类将取决于其形状的更精确确认以及IAU可能对名单进行的修订。