Hành tinh

Các thiên thể có khối lượng hành tinh

Vật thể có khối lượng hành tinh, PMO, hay planemo là một thiên thể với khối lượng nằm trong khoảng khối lượng định nghĩa cho hành tinh - ví dụ như với khối lượng lớn hơn các vật thể nhỏ, và nhỏ hơn khối lượng của một sao lùn nâu có phản ứng hạt nhân ở lõi hoặc nhỏ hơn khối lượng một ngôi sao. Theo định nghĩa mọi hành tinh là các thiên thể có khối lượng hành tinh nhưng mục đích của thuật ngữ là để miêu tả các thiên thể không thỏa mãn những đặc điểm của một hành tinh, chẳng hạn như các hành tinh trôi tự do không quay quanh một ngôi sao, hoặc các thiên thể được hình thành thông qua quá trình suy sụp đám mây hơn là sự bồi tụ mà đôi khi được gọi là các sao cận lùn nâu.

Hành tinh vệ tinh và hành tinh vành đai

Một vài vệ tinh lớn với kích thước tương đương hoặc lớn hơn Sao Thủy, ví dụ các vệ tinh Galileo của Sao Mộc và Titan. Alan Stern đã lập luận rằng vị trí không nên là vấn đề và chỉ xét đến những thuộc tính địa vật lý trong định nghĩa hành tinh, và ông đề xuất thuật ngữ hành tinh vệ tinh cho các thiên thể kích thước hành tinh nhưng lại quay quanh một hành tinh khác. Cũng giống như vậy, Stern cho rằng đối với các thiên thể kích thước hành tinh trong vành đai tiểu hành tinh hoặc vành đai Kuiper cũng lên là những hành tinh.

Các thuộc tính

Mặc dù mỗi hành tinh có các đặc trưng vật lý riêng biệt, nhưng cũng có một lớp rộng sự tương đồng giữa chúng. Một trong vài những đặc tính này, như các vành đai hoặc các vệ tinh tự nhiên, chỉ mới quan sát được ở các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, trong khi một số khác cũng có đối với các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời.

Trục quay nghiêng

Các hành tinh cũng có trục quay nghiêng với độ nghiêng khác nhau; trục quay nghiêng một góc với mặt phẳng quy chiếu của mặt phẳng chứa xích đạo ngôi sao. Điều này làm cho lượng ánh sáng nhận được ở mỗi bán cầu thay đổi theo mùa trong năm; khi bán cầu bắc nằm xa ngôi sao, thì bắn cầu nam lại nằm gần sao và ngược lại. Từ đó mỗi hành tinh trải qua các mùa khác nhau; và thay đổi thời tiết theo chu kỳ quay trong một năm. Thời điểm một bán cầu nằm gần nhất hoặc xa nhất so với ngôi sao được gọi là điểm chí. Mỗi hành tinh có hai điểm chí trong một chu kỳ quay trên quỹ đạo; khi một bán cầu ở thời điểm hạ chí, lúc đó ngày này có thời gian dài nhất, bán cầu kia ở thời điểm đông chí, và ngày này có thời gian ngắn nhất. Sự thay đổi lượng ánh sáng và nhiệt nhận được ở mỗi bán cầu tạo ra sự thay đổi hàng năm đối với các mùa đối với mỗi bán cầu. Độ nghiêng trục quay của Sao Mộc khá nhỏ, cho nên sự thay đổi giữa các mùa là rất ít. Mặt khác, Sao Thiên Vương lại có trục quay nghiêng rất lớn (97,77°) làm cho một bán cầu luôn nhận được ánh sáng Mặt Trời trong một nửa chu kỳ quỹ đạo và tương ứng bán cầu kia thì lại nằm trong bóng tối. Đối với các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời, trục quay nghiêng là điều chưa được biết chắc chắn, nhiều người nghĩ rằng hầu hết các hành tinh nóng kiểu Sao Mộc hoàn toàn không có trục quay nghiêng do kết quả của sự quá gần với ngôi sao mẹ.

Sự tự quay

Hành tinh quay xung quanh một trục tưởng tượng đi qua tâm của nó. Chu kỳ tự quay của hành tinh gọi là ngày của nó. Hầu hết các hành tinh trong Hệ Mặt Trời tự quay theo cùng hướng với hướng chuyển động của nó trên quỹ đạo, hướng ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ cực bắc của Mặt Trời, trong khi Sao Kim và Sao Thiên Vương lại là ngoại lệ, chúng tự quay theo chiều kim đồng hồ, mặc dù độ nghiêng trục quay của Sao Thiên Vương rất lớn khiến cho sự phân biệt cực nào là cực "bắc" trở lên khó khăn và làm cho khó xác định được nó quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ. Tuy vậy mọi người vẫn thường thỏa thuận là như vậy, và Sao Thiên Vương có sự quay nghịch hành tương đối với quỹ đạo.
Sự tự quay của hành tinh có thể được dẫn ra bởi một vài yếu tố trong quá trình hình thành hành tinh. Mô men động lượng toàn phần có thể suy ra từ mô men động lượng của từ vật thể bồi tụ đóng góp vào hành tinh. Sự bồi tụ khí ở các hành tinh khí khổng lồ cũng đóng góp vào mô men động lượng. Cuối cùng, trong suốt giai đoạn cuối của sự hình thành hành tinh, một quá trình ngẫu nhiên của đĩa bồi tụ tiền hành tinh có thể ngẫu nhiên thay đổi trục quay của hành tinh. Có sự thay đổi lớn trong độ dài ngày giữa các hành tinh, trong khi một vòng tự quay của Sao Kim mất gần 243 ngày Trái Đất, thì các hành tinh khí khổng lồ chỉ mất có vài giờ. Chu kỳ tự quay của các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời cũng không được rõ ràng; tuy nhiên đối với các hành nóng kiểu Sao Mộc thì sự quá gần ngôi sao mẹ của chúng khiến chúng bị khóa thủy triều đối với ngôi sao (quỹ đạo của chúng đồng bộ với sự tự quay của chúng). Điều này có nghĩa là chúng luôn hướng một mặt về phía ngôi sao, và mặt này luôn luôn là ban ngày, ngược lại mặt kia luôn là ban đêm.

Sự sạch của quỹ đạo

Đặc trưng quỹ đạo định rõ của một hành tinh đó là sự làm sạch miền lân cận của nó. Để một hành tinh có được miền lân cận sạch thì nó phải có khối lượng đủ lớn để hút toàn bộ hoặc đẩy văng mọi thiên thể nhỏ (vi hành tinhh) trong quỹ đạo của nó. Theo đó, quỹ đạo của hành tinh quanh ngôi sao được tách biệt rõ ràng, trái ngược với trên cùng quỹ đạo của một thiên thể có nhiều thiên thể với cùng kích thước (ví dụ như quỹ đạo của Trái Đất bị rất nhiều sao chổi cắt qua, hoặc quỹ đạo của Sao Hải Vương và Pluto cắt nhau; nhưng so sánh về khối lượng thì Trái Đất và Sao Hải Vương lớn hơn rất nhiều so với chúng). Đặc trưng này đã trở thành một điều kiện bắt buộc trong phần định nghĩa chính thức của IAU vào tháng 8 năm 2006. Sự giới hạn này đã loại trừ các thiên thể đã từng là hành tinh như Sao Diêm Vương, Eris và Ceres, và phân loại chúng thành hành tinh lùn. Mặc cho tới nay giới hạn này chỉ áp dụng cho các hành tinh trong Hệ Mặt Trời, một số hệ hành tinh ngoài hệ Mặt Trời đã được tìm thấy với chứng cớ cho thấy sự làm sạch quỹ đạo diễn ra trong đĩa bồi tụ bao quanh ngôi sao.

Khối lượng

Một đặc tính vật lý định rõ của hành tinh đó là khối lượng đủ lớn để cho chính lực hấp dẫn của nó thắng được lực liên kết điện từ giữa các phân tử, làm cho hành tinh đạt đến trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Hệ quả là mọi hành tinh đều có dạng cầu hoặc phỏng cầu. Nhỏ hơn giới hạn khối lượng này, vật thể có thể có hình dạng bất kì, nhưng nếu lớn hơn giới hạn này, cho dù hành tinh có các thành phần hóa học nào đi chăng nữa, lực hấp dẫn sẽ hút mọi thứ hướng về khối tâm khiến cho vật thể trở thành hình cầu.
Khối lượng cũng là một thuộc tính cơ bản để các hành tinh có thể phân biệt được so với các ngôi sao. Giới hạn khối lượng trên cho các hành tinh là gần 13 lần khối lượng của Sao Mộc, vượt qua giới hạn này chúng có thể đủ điều kiện thích hợp cho phản ứng hợp hạch. Ngoài Mặt Trời, không một thiên thể nào có khối lượng lớn hơn giới hạn này tồn tại trong Hệ Mặt Trời; tuy nhiên một số hành tinh ngoài hệ Mặt Trời có khối lượng gần với giới hạn này. Từ điển hành tinh ngoài hệ Mặt Trời liệt kê một vài hành tinh có khối lượng rất gần giới hạn trên: HD 38529c, AB Pictorisb, HD 162020b, và HD 13189b. Một số thiên thể với khối lượng cao hơn giới hạn này cũng được liệt kê ra, và chúng thỏa mãn cho điều kiện xảy ra phản ứng hợp hạch, cho nên chúng được miêu tả phù hợp hơn khi phân loại thành sao lùn nâu.
Hành tinh nhỏ nhất từng được biết, ngoại trừ các hành tinh lùn và các vệ tinh, đó là PSR B1257+12 a, một trong những hành tinh ngoài hệ Mặt Trời đầu tiên được phát hiện, đã được tìm thấy năm 1992 trong quỹ đạo xung quanh một sao xung. Khối lượng của nó gần bằng một nửa của Sao Thủy.

Sự phân lớp cấu trúc bên trong

Mỗi hành tinh bắt đầu sự tồn tại của chúng trong trạng thái lỏng hoàn toàn; trong buổi đầu hình thành, các vật chất đậm đặc hơn, nặng hơn chìm xuống về phía tâm, còn những vật chất nhẹ hơn thì nằm lại trên bề mặt. Do vậy mỗi hành tinh có sự phân lớp bên trong bao gồm một lõi hành tinh bao xung quanh bởi các lớp phủ lỏng hoặc rắn. Các hành tinh đất đá được bọc với lớp trên cùng cứng gọi là lớp vỏ, nhưng trong các hành tinh khí khổng lồ lớp phủ chỉ đơn giản hòa tan dần vào các lớp mây và khí ở bên trên. Các hành tinh đất đá chứa một lõi bao gồm các nguyên tố từ tính như sắt và niken, và các lớp phủ silicat. Người ta tin rằng Sao Mộc và Sao Thổ có các lõi đá và kim loại bao bọc xung quanh bởi các lớp phủ hidro kim loại. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, với kích thước nhỏ hơn, chứa các lõi đá bao bọc xung quanh bởi nước, amoniac, mêtan và các chất dễ bay hơi (băng). Hoạt động của chất lỏng bên trong những hành tinh làm diễn ra quá trình địa động lực tạo ra từ trường của hành tinh.

Từ quyển

Một đặc trưng quan trọng của các hành tinh đó là mômen từ nội tại của chúng mà làm cho sinh ra từ quyển. Sự có mặt của từ trường cho thấy rằng hành tinh vẫn còn những hoạt động địa chất. Nói cách khác, các hành tinh từ tính có các dòng vật chất dẫn điện ở bên trong chúng, làm tạo ra từ trường cho hành tinh. Những trường này làm thay đổi rõ rệt tương tác của hành tinh với gió sao. Một hành tinh từ tính tạo ra xung quanh chúng một khoang trong gió sao gọi là từ quyển, khiến cho gió sao không thể thâm nhập vào hành tinh. Từ quyển có thể lớn hơn rất nhiều so với hành tinh. Ngược lại, những hành tinh phi từ tính chỉ có từ quyển nhỏ sinh ra từ tương tác của ion quyển với gió sao, và không thể bảo vệ hành tinh một cách hiệu quả được.
Trong tám hành tinh trong Hệ Mặt Trời, chỉ có Sao Kim và Sao Hỏa là thiếu từ quyển. Thêm vào đó, vệ tinh Ganymede của Sao Mộc cũng có từ quyển. Từ trường của hành tinh từ tính của Sao Thủy là yếu nhất, và không đủ khả năng để chống lại gió Mặt Trời. Từ trường của Ganymede lớn hơn gấp vài lần, và của Sao Mộc là mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời (rất mạnh đến nỗi nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của các phi hành gia trong tương lai đối với các nhiệm vụ đưa người lên vệ tinh của Sao Mộc). Từ trường của các hành tinh khí khổng lồ khác (trong Hệ Mặt Trời) có cường độ gần bằng của Trái Đất, nhưng mômen từ của chúng thường lớn hơn. Trục từ trường của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương bị nghiêng mạnh tương đối so với trục quay và lệch ra khỏi tâm của hành tinh.
Năm 2004 một đội các nhà thiên văn ở Hawaii đã quan sát một hành tinh ngoài hệ Mặt Trời quay xung quanh sao HD 179949, và hành tinh này hiện lên như là một vết đen trên bề mặt của ngôi sao mẹ. Họ đã đưa ra giả thiết là từ quyển của hành tinh đang truyền năng lượng lên bề mặt của sao, làm nhiệt độ bề mặt ngôi sao đã từng cao là 14.000 độ tăng thêm 750 độ nữa.

Các đặc tính thứ cấp

Một vài hành tinh hoặc hành tinh lùn trong Hệ Mặt Trời (như Sao Hải Vương và Sao Diêm Vương) có chu kỳ quỹ đạo cộng hưởng với các thiên thể khác hoặc với các vật thể nhỏ hơn (điều này cũng hay xảy ra với các vệ tinh tự nhiên). Ngoại trừ Sao Thủy và Sao Kim không có vệ tinh tự nhiên, các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời đều có vệ tinh tự nhiên. Trái Đất có một, Sao Hỏa có hai, và các hành tinh khí khổng lồ có rất nhiều vệ tinh trong những "hệ thống giống hành tinh" phức tạp. Nhiều vệ tinh của các hành tinh khí khổng lồ có các đặc tính tương tự với các hành tinh đất đá và các hành tinh lùn, và một số đã được nghiên cứu với khả năng có tồn tại sự sống trên đó (đặc biệt là Europa).
Bốn hành tinh khí khổng lồ cũng có các vành đai hành tinh quay xung quanh với kích thước thay đổi và cấu trúc phức tạp. Các vành đai chủ yếu là tổ hợp của bụi hoặc các hạt vật chất, nhưng có thể chứa những vệ tinh rất nhỏ mà lực hấp dẫn của chúng tạo nên hình dạng và duy trì cấu trúc của chúng. Mặc dù nguồn gốc của các vành đai hành tinh vẫn chưa được biết chính xác, chúng được cho là kết quả của các vệ tinh tự nhiên rơi vào giới hạn Roche của hành tinh mẹ và bị xé toạc ra bởi lực thủy triều.
Chưa có một đặc tính thứ cấp nào được quan sát xung quanh các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời. Tuy nhiên thiên thể sao cận lùn nâu Cha 110913-773444, được miêu tả là hành tinh lang thang, được cho là có một đĩa tiền hành tinh nhỏ quay xung quanh.