惑星
便宜的に木星質量の13倍以下を惑星、13-75倍程度のものを褐色矮星、75倍以上のものを恒星とする見方がある。実際、理論的上限質量は木星質量の80倍程度である。ただし、こうした質量のみを定義することには議論がある。
恒星の周りの惑星を観測的に検出しようとする場合には、褐色矮星の上限質量以下に見出される天体のうち、褐色矮星候補と惑星候補とを見分ける必要が生じる。そこで、両者を区別するために、進化の途上で重水素熱核融合を起こす可能性のある質量に達していない天体、すなわち「褐色矮星の理論的下限質量にその質量が達していない天体」を惑星と定義してはどうかという提案が2001年に国際天文学連合 (IAU) のワーキンググループから出された。この提案は恒星進化論に基づいた立場からのものといえ、現在に至るまで、暫定定義として便宜的に用いられる場合がしばしばある。
観測的には、4000個を超える太陽系外惑星が発見されている。恒星を観測してみるまでは褐色矮星と惑星のいずれが存在するのか、あるいは存在しないのかは不明であるから、惑星が存在する恒星を選択的に観測することはできない。したがって、特に観測が偏ることなく、惑星とされる天体の他に、褐色矮星と推定される天体も発見されている。しかし、質量ごとの天体数を統計的に見ると、木星質量の20倍をやや超える程度から数十倍までの質量範囲にはごく少数の天体があるだけで、数の分布が2つのグループに分けられることが見出されている。
熱核融合を起こす質量に達している、つまり、熱核融合が起きているか過去に起こった天体は褐色矮星と呼ぶ。星または星の残骸の周りを回っていない天体は、従来は浮遊惑星などと呼ぶこともあったが、sub-brown dwarf(準褐色矮星、亜褐色矮星などと訳す)と呼ぶよう、ワーキンググループは定めている。
なお、惑星科学者の多くは、惑星と褐色矮星の違いはその形成過程にあり、惑星は原始星を取り巻く原始惑星系円盤内で形成され、褐色矮星は分子雲そのものから直接形成されたと考えている。惑星形成時には固体の核(木星質量を超える惑星ができる場合には、核は地球質量の10倍程度)がまず作られ、これに周囲のガスが(大気ではなく)惑星の材料として付加されると考えられている。このような過程で形成された天体が重水素の熱核融合を起こすほどの質量に達する場合も稀に存在し、形成過程に基づいて分類すれば、惑星と褐色矮星の質量分布は一部重なる可能性がある。木星質量の数十倍以下の褐色矮星が恒星の周りを回っていて惑星と区別できないような状況は希ではあるが、それでも一定の割合で発見されるので、そのときはワーキンググループの定義が援用される。
これを惑星形成論の立場から見ると、褐色矮星が分子雲から直接形成されるのに対して、惑星が原始惑星系円盤で固体成分を核として形成されることを反映したものであるとする見方になる。このような惑星形成論的な立場からは、重水素熱核融合の可能性の有無ではなく、観測的な上限質量値(木星質量の20倍をやや超える程度)を惑星質量の上限とする見解が出ている。
21世紀初頭では褐色矮星の形成過程が理論的に見直されつつあり、質量あるいは質量分布のみから褐色矮星と惑星を定義するのではなく、他の要素をも考慮しようとする研究傾向が見られる。一例としては、サイズと組成も加味して区分すべきであるという見通しを示す研究グループがある。また、褐色矮星の理論的下限質量を超える質量の天体が恒星の周りを回っている場合でも、その恒星を巡る天体がさらに存在する場合には、連星系とするか惑星系とするかの定義がなく、褐色矮星と惑星の区分境界がぼやけてくる。
以上のように、低質量の褐色矮星と大質量の惑星との区分を意図した定義は、複数混在している状況にあり、今後新たな定義が合意される可能性もある。本項では、多少の曖昧さを残して「木星質量の十数倍程度よりも低質量」という定義を示したが、本項を含め、各種文献や議論に接する際には、どのような定義を前提としているかに注意する必要がある。
太陽系惑星を元に考えられた惑星形成モデルは、宇宙において普遍的なものと思われていた。しかし、初期に発見された太陽系外惑星は、水星よりも近い軌道を周回したり極端な楕円軌道を持つ巨大ガス惑星などだった。これは天文学者らを当惑させ、惑星形成モデルに対する疑いも頭をもたげた。
しかし、惑星の軌道は誕生後に変化する可能性が指摘された。これを検証したコンピュータシミュレーションの結果から、太陽系の惑星配置では長期間安定するが、質量の大きさと比べ距離が近い巨大ガス惑星が3つ以上あるとそれぞれ惑星軌道は突然不安定になり、互いを反発し飛び散らせることが分かった。また、巨大ガス惑星が形成されてからも惑星系円盤に以前ガスが多く残っている状態では、惑星が中心方向に移動するメカニズムも考えられた。
このような過程を経て、特異な太陽系外惑星は形成段階の惑星系円盤に太陽系よりも多くのガス成分があった可能性が指摘されており、太陽系形成が特殊という考えは見直された。
太陽系の場合、太陽と木星との間のギャップは明瞭であり、上限が問題となることはない。しかし逆に、多数の小天体が発見されているため、下限が議論の中心となる。
近代以前、惑星としては、肉眼で天球上を動く様が観察できる7つの天体、太陽、月、水星、金星、火星、木星、土星が数えられた。これは地球は惑星ではなく、宇宙の中心、または土台であると考えられていたためである。
近代に入り、地球も太陽を巡る惑星の一つであると認識され、太陽と月が惑星ではないと認識されるようになった。また天体力学の進展と観測技術の発達により、1781年に天王星、1846年に海王星が発見された。また、1801年に発見されたケレスや翌年に発見されたパラスなども当初は惑星として扱われていたが、火星と木星の間に同様の小天体が次々と発見され、1850年代には惑星の数が20個を超えたことから、それらをまとめて小惑星と呼び、惑星とは区別して扱うようになった。そして1930年には冥王星が発見され、第9番惑星とされた。
この間、惑星と呼ぶべき天体は慣習的に定められてきた。しかし1990年代以降、カイパーベルトが発見され、海王星以遠に冥王星・海王星間に見られるものと類似の共鳴関係をもつ軌道を巡る天体や、質量が冥王星と比較し得る天体(桁違いに質量が異なることがない天体)が相次いで見つかり、これらも惑星と呼ぶべきか否かについて論争が巻き起こった。さらに系外惑星や恒星と惑星の中間的な褐色矮星、また惑星様天体が恒星間に単独で存在する例(放浪惑星)も発見された。そして2005年、冥王星よりも大きな (136199) エリス(仮符号2003 UB313)の発見を契機として、惑星とは何かを定義する機運が高まった。
水星・金星・地球・火星は比較的小さく、岩石と金属を主成分としているという共通点があるため、「地球型惑星」と呼ばれる。
それに対して木星・土星・天王星・海王星は、比較的大きく、地球質量を超える大気を持つという共通点がある。このうち、木星と土星はその組成が太陽系形成時の星雲ガスに近く、木星型惑星と呼ばれる。巨大ガス惑星と呼ばれることもある。天王星・海王星は、水の氷のマントルを持っており、天王星型惑星と呼ばれる。その組成と物質の存在形態から巨大氷惑星または巨大固体惑星と呼ぶ場合もしばしばある。
なお、かつて太陽系惑星の1つとされていた冥王星は、水やメタンの氷が主成分で、どちらにも分類されていなかった。