行星

行星是绕恒星运行的天体，质量大到其自身的引力能将它拉成近似球形，并且它本身不是恒星。"行星"一词源自希腊语，意为"漫游者"，指在恒星背景中移动的光点。太阳系中有八颗行星：四颗体积较小的岩质类地行星（水星、金星、地球和火星），以及四颗大得多的巨行星。自20世纪90年代以来，天文学家已发现数千颗绕其他恒星运行的行星，这表明行星在银河系中十分常见，太阳系并非唯一拥有行星的恒星系统。

行星之所以重要，有几方面的原因。地球是目前已知唯一孕育生命的行星，将它与邻近行星比较，有助于解释为什么只有这一颗星球变得适宜居住，而其他行星则没有。金星和火星展示了温室效应与大气流失如何改变行星的气候，这为研究地球上的气候变化提供了参考。行星的形成也是恒星及其周围环境演化历程的一部分。2019年诺贝尔物理学奖部分授予了发现一颗绕类太阳恒星运行的系外行星的成果，标志着一个迅速发展的研究领域由此开启。

本词条涵盖行星的定义以及这一概念的演变历史：从古代的地心模型，到哥白尼和开普勒引发的革命，再到牛顿的万有引力理论。随后介绍太阳系中各行星及其内部结构、大气层和轨道动力学，以及它们的形成过程。接着说明系外行星的发现与分类方法、用于探测它们的手段、已对太阳系进行探索的航天任务、宜居性标准，以及仍然存在的未解问题和争议。

定义与分类标准

"行星"一词源自希腊语 planētēs，意为"漫游者"。古代观测者用这个词指代那些相对恒星位置会移动的光点。这一类最初包括太阳和月球，以及五颗肉眼可见的行星：水星、金星、火星、木星和土星。这个术语的现代含义是在哥白尼及其后继者认识到地球同样绕太阳运行之后才逐步确立的，这使地球也和其他行星一样被归入行星之列。

2006年国际天文学联合会的定义

2006年8月24日，国际天文学联合会在布拉格召开的大会通过了一项决议，将太阳系中的天体划分为三类。行星必须满足以下条件：(a) 绕太阳运行；(b) 自身引力足以克服刚体力，使其呈近似球形，这一状态称为流体静力平衡；(c) 已清空其轨道附近的天体。依此定义，从水星到海王星共八颗天体符合条件。其中第三条最为关键。行星的引力已经清除或主导了与其共享轨道区域的其他天体，而冥王星于1930年被发现，并在之后76年间被视为第九颗行星，但它与柯伊伯带中的许多天体共享同一区域。

因此，冥王星被重新分类。矮行星满足前两条标准，但未清空其轨道附近的天体，而且它不是卫星。决议中将谷神星、冥王星和阋神星命名为矮行星。只满足第一条标准、且不是卫星的天体，被称为太阳系小天体。另有一项提议是将矮行星列为行星的一个子类，但该提议在投票中被否决，这一决定在天文学家中既获得支持也遭到批评。这些标准本身也仍不够精确。"近似球形"和"清空轨道"最初都缺乏定量阈值，而且若没有球形化所需的最小质量，就很难界定矮行星与小天体的边界在哪里。

与褐矮星的边界

行星质量范围的下限由核物理决定，而非2006年的标准。质量超过一定值的天体，其内部可以短暂地聚变氘（氢的一种重同位素），这一阈值通常取约13倍木星质量。模型显示，确切数值取决于成分：视金属丰度以及需要燃烧的氘所占比例而定，该下限大致在11至16倍木星质量之间，因此13倍只是一个经验数值。在此之上是褐矮星的范围，其上限为约75至80倍木星质量的氢燃烧极限，超过此质量的天体即成为恒星。由于氘燃烧持续时间很短，且不足以阻止天体冷却，这一下界普遍被认为在一定程度上是任意设定的。

系外行星的工作定义

2006年的定义明确指的是绕太阳运行的天体，因此不能直接用于其他恒星周围的行星。针对这类天体，国际天文学联合会系外行星工作组于2002年通过了一个以质量为基础的工作定义。依据该定义，质量低于氘燃烧极限、绕恒星或恒星遗迹运行的天体即为行星，无论其形成方式如何；而质量相近但不受束缚、自由漂浮的天体则被归为"次褐矮星"，而非行星。一些研究者提议修改措辞，使行星定义为绕一颗或多颗恒星、褐矮星或恒星遗迹运行的天体，不过在能够在所有星系中一致应用矮行星的边界之前，仍需确定一个统一的球形化最小质量标准。

早期观测与地心模型

对行星的系统性研究始于美索不达米亚。巴比伦学者追踪了肉眼可见的五颗行星：水星、金星、火星、木星和土星。他们留下的计算文本共有114块已知的行星泥板，产自巴比伦和乌鲁克，年代大致在公元前400年至公元前50年之间，是古代世界中已知最早的数学天文学形式。这些泥板给出日期与位置，计算采用六十进制，黄道被划分为十二宫，每宫三十度。巴比伦天文学家并不依赖轨道的几何模型，而是使用经验周期。他们参考天文日志中记录的过往观测，再借助“Goal-Year”周期将其推算到未来。他们为土星、木星和火星使用的周期分别是：土星59年；木星71年和83年；火星47年和79年。行星观测也服务于占卜。每颗行星都与一位神祇相连：木星对应马尔杜克，金星对应女神伊什塔尔，土星对应尼努尔塔，水星对应纳布，火星对应内尔伽勒。

在希腊世界，重心从预测位置转向解释天界的结构。亚里士多德认为地球是宇宙中静止不动的中心。他的论据之一是观测不到恒星视差，而如果地球在空间中运动，本应能观测到这种视差。在随后流行的标准图景中，太阳、月亮、行星和恒星由一套嵌套的球体承载，围绕静止的地球旋转。难题在于，行星在天空中的运动并不匀速：它们有时减速、停滞，并发生逆行，而简单的同心球体无法解释这一现象。

最具影响力的回答来自克劳狄乌斯·托勒密，他是公元2世纪活跃的希腊-埃及天文学家。在《天文学大成》中，托勒密引入了本轮和均轮的概念来解释行星运动。在这一体系中，较大的圆称为均轮，即各天体绕地球运行的轨道。每个天体还沿一个较小的圆运动，称为本轮，本轮的圆心位于均轮之上。本轮的思想本身早于托勒密，最初由佩尔加的阿波罗尼奥斯（约公元前240年至公元前190年）提出。托勒密还加入了“偏心匀速点”（equant），这是一个虚构的点，从它望去天体的运动显得均匀。均轮的中心被置于地球与偏心匀速点之间，这使模型更符合观测。尽管体系复杂，但它并不像人们常说的那样笨拙。托勒密对太阳和行星的模型只用了12个圆，即6个均轮和6个本轮，就能与数据very好地吻合。

托勒密的框架成为预测行星位置的标准工具。它传入伊斯兰世界，穆斯林学者采纳并改进了托勒密的地心模型；在欧洲，该模型的主导地位持续了一千多年。直到十六世纪，尼古拉·哥白尼提出以太阳为宇宙中心的日心模型并逐渐获得认可，托勒密体系的权威才开始动摇。

印度和中国的天文学家发展出各自的传统，这些传统基本独立于美索不达米亚和希腊的脉络。在印度，《阿耶波多历书》（Aryabhatiya）中包含了利用偏心圆和本轮计算行星黄经的规则。其作者阿耶波多给出了一个“大时”（mahayuga）为432万年内行星的运行圈数。印度的历法方法在实践中长期重要，阿耶波多及其后继者所作的历法计算，至今仍在印度用于确定“Panchanga”即印度教历法的内容，从未中断。印度天文学后来也传入阿拉伯世界。例如，婆罗摩笈多的著作通过名为《信德欣德》（Sindhind）的阿拉伯文译本，在印度北部和西部以及阿拉伯世界产生了极大影响。在中国，朝廷天文官长期记录行星位置、合现象及相关天象。这些记录服务于历法编制和官方的占验解释，形成了一套连续的观测档案，独立于巴比伦和希腊的传统。

日心说与行星运动定律

到16世纪，托勒密的地心体系已沿用一千多年，但要与观测到的行星位置相符，仍需要复杂的本轮与均轮组合。尼古拉·哥白尼在1543年（也就是他去世那一年）出版的《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）中提出了另一种安排。他把太阳置于体系中心附近，行星（包括地球）绕太阳运行，同时地球每天绕自转轴转动。这一视角的转变解释了逆行现象：当运行在更小、更快轨道上的地球赶上火星或木星等外行星时，该行星看起来会减速、逆转方向，然后恢复原来的东向漂移。哥白尼保留了圆形轨道和部分本轮，他的星表在精度上也并未立即超过当时最好的地心星表，因此新体系是逐步被接受的。

决定性的精度提升来自观测。丹麦天文学家第谷·布拉赫建立了Hven和Uraniborg天文台，用大型仪器（而非望远镜）测量行星位置，精度达到约一角分。他在1580年代和1590年代对火星进行了多年的长期观测，结果表明火星的运动无法用带有常规修正的圆轨道来重现。1599年，布拉赫在神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的庇护下迁往布拉格，并于1600年聘请约翰内斯·开普勒担任助手。次年布拉赫去世，开普勒继承了他的观测记录。开普勒用多年时间将火星数据与各种模型进行拟合。当圆轨道仍留下约八角分的残差时（这远大于布拉赫的观测误差），他得出结论：轨道本身有误，并由此放弃了圆形轨道。

开普勒的分析得出了三条经验定律，即现在所称的开普勒行星运动定律。第一定律发表于1609年的《新天文学》（Astronomia nova），指出每颗行星都沿以太阳为一个焦点的椭圆轨道运动。第二定律指出，行星与太阳的连线在相等时间内扫过相等面积，因此行星在近日点附近运动最快，在远日点附近最慢。第三定律发表于1619年的《世界和谐论》（Harmonices Mundi），将轨道周期与轨道大小联系起来：对于绕同一恒星运行的行星，周期的平方与半长轴的立方成正比，写作 $T^2 \propto a^3$。以火星为例，其周期约为1.88年，半长轴约为1.52天文单位，这一关系吻合得很好。开普勒定律描述了行星如何运动，却没有解释其原因；他提出的物理成因（认为力从太阳发出）大多是错误的。

伽利略·伽利莱的望远镜观测加强了日心说的论据，但并未证明它。1610年，他在《星际信使》（Sidereus Nuncius）中报告了绕木星运行的四颗卫星，表明天空中并非所有天体都绕地球旋转。他还观察到金星呈现从蛾眉月形到满月形的完整相位序列。在托勒密的几何模型中，金星始终位于地球与太阳之间，只应显示蛾眉月相和新月相，因此满月相指向以太阳为中心的排布。第谷提出的那类混合地心模型仍能容纳这些相位，因此证据与日心说相容，但本身并不足以排除其他选择。更坚实的理论基础来自艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》（1687）。牛顿的运动定律及其万有引力定律（两物体间的引力与它们的质量乘积成正比，与距离平方成反比）表明，平方反比力会产生以太阳为焦点的椭圆轨道。因此，开普勒定律可以由引力和经典力学推导出来。牛顿的理论框架还解释了行星之间的相互摄动，并使估算行星质量成为可能，从而使行星运动的研究由描述转向动力学预测。

太阳系行星：分类与基本性质

太阳系的八颗行星大致分为两大类，它们在体积、密度和组成上差异明显。水星、金星、地球和火星体积较小、密度较大，表面为岩石，被称为类地行星。木星、土星、天王星和海王星则远为庞大，归为巨行星。在巨行星中，木星和土星主要由氢和氦构成，是气态巨行星；天王星和海王星则是冰巨星，其内部含有更多水、氨和甲烷等较重的挥发性化合物。

下表列出了主要性质的近似数值。质量以地球为单位（地球=1），密度单位为千克每立方米，轨道周期以地球年计。各星历表给出的卫星数量并不一致，且随着观测的持续而不断增加，因此表中的卫星数应视为近似值。

从内行星到外行星，密度急剧下降。类地行星的密度在约3900至5500千克/立方米之间，其中地球是八颗行星中密度最大的；而土星的平均密度约为690千克/立方米，低于水的密度。这表明巨行星主要由轻质气体和冰构成，其中的气体因自身巨大的质量而被压缩，而不是由岩石和金属组成。公转周期则随距太阳距离的增加而急剧延长，从水星的88天一年，到海王星约165个地球年，符合开普勒的周期—距离关系。

两类行星在质量上也存在巨大差距。四颗类地行星的质量加起来只占太阳系行星总质量的很小一部分，其中最小的火星质量约为地球的十分之一。仅木星的质量就约为地球的318倍，超过其他所有行星质量之和的两倍。质量上的差异也体现在卫星数量上：类地行星几乎没有卫星或只有极少数卫星，而巨行星拥有大量卫星，其中木星、土星、天王星和海王星还拥有环系统。

行星的外围还有较小的天体群。小行星带位于火星与木星的轨道之间，由岩质和金属质天体组成，标志着内侧类地行星与外侧巨行星之间的过渡。海王星之外是柯伊伯带，这是一个宽广的冰质区域，距太阳约30至50天文单位。其中最著名的成员是冥王星，此外还有若干其他矮行星。这两个区域是行星数目通常固定为八颗的主要原因：它们的成员远小于行星，而且没有清空与其他天体共享的轨道区域。根据2006年国际天文学联合会的定义，正是这一“清空轨道邻域”的判据，将八颗行星与冥王星等矮行星区分开来。

类地行星

内侧的四颗行星——水星、金星、地球和火星——在内部结构上大体相似：致密、岩质，并富含金属。不过它们的大小、与太阳的距离以及演化历史各不相同，因而形成了截然不同的表面和大气。

内部分层与早期分异

岩质行星通常具有分层结构。富含铁、并含有少量镍和较轻元素的金属核心位于硅酸盐地幔之下，最外层则是一层薄薄的地壳。这种结构源于分异作用：年轻天体熔融时，密度较大的金属下沉至中心，较轻的硅酸盐则上浮。二者的分离需要大规模熔融，而热量来源有多个。半衰期较短的铝-26同位素发生衰变，在太阳系形成后最初约三百万年间加热了最早的星子；在较大的天体中，标志吸积末期的巨大撞击又释放出更多能量。在地球大小的天体中，金属需要穿过约3000千米的硅酸盐才能抵达核心；核心的形成也不是一次性事件，而是经历了数个金属与硅酸盐之间的平衡过程。

类地行星整体成分的差异也反映了它们形成的位置。水星的核心在比例上非常大，火星的核心相对于其硅酸盐外壳则较小，地幔也比地球更贫铁。行星的平均密度随与太阳的距离呈现一定趋势，这表明太阳系内侧可用的构成物质在不同位置有所不同。

大气：金星、地球与火星

金星是最极端的例子。其大气约96.5%为二氧化碳，其余大部分是氮气；地表气压约为92巴，约为地球海平面气压的93倍。地表温度约735 K，足以熔化铅，而由硫酸液滴组成的云层遮蔽了地表，使其无法被可见光直接观测。最主流的解释是，金星曾经历过失控温室效应。随着地表温度升高，水汽——本身也是强效温室气体——不断积累，直到海洋全部蒸发。紫外线随后将水汽分解，较轻的氢逸散到太空中；金星大气中氘相对普通氢的富集，被视为这一流失过程的证据。由于没有液态水把二氧化碳锁入碳酸盐岩中，火山喷发释放的CO₂便在数十亿年间不断累积。

地球之所以避免了这一命运，很大程度上是因为海洋能够吸收二氧化碳，并通过碳循环，借助长期风化作用和碳酸盐沉积，使大气中的CO₂保持在适中的范围内。地球大气以氮气和氧气为主，其表面温度由吸收的太阳光与散失的红外辐射之间的平衡决定，水汽和二氧化碳则提供了适度的温室效应。

火星则面临相反的问题：其大气稀薄，以二氧化碳为主，地表气压不到地球的1%。如此低的气压使液态水难以在地表长期稳定存在，行星的平均温度也远低于冰点。火星失去了大部分早期大气，很可能是在磁场和行星尺度的发电机效应减弱之后，大气被太阳风剥离。

表面过程

撞击坑是所有岩质天体上分布最广的地质过程。水星、火星和月球上保存着大量撞击坑，因为那里几乎没有发生侵蚀；而地球上的撞击坑则很快被风化、沉积和构造再循环所抹去。火山活动在金星和火星表面塑造了巨大尺度的地貌：火星拥有奥林匹斯山，这是一座盾状火山，高度是地球最高火山的数倍；金星则有广阔的熔岩平原。风、水和冰的侵蚀进一步改造了火星和地球的表面，而构造形变则形成了山脊、断裂和山脉带。

只有地球目前呈现出现今形式的板块构造。其岩石圈被分割成若干刚性板块，这些板块在相对较软的软流圈之上运动：在大洋中脊处生成新的洋壳，在俯冲带处让旧地壳再循环。多条证据支持这一图景：与大陆相比，海底年龄较新；洋底的磁条带记录了对称的扩张；地震和火山则沿板块边界集中分布。金星存在广泛的构造形变，但没有证据表明其岩石圈像地球那样被分割成可移动的板块；火星则只有一个整体的刚性岩石圈。

火星上的古水

火星上有大量证据表明，液态水曾在其表面流动。具有树枝状分叉的河谷网络与地球上的河流系统相似，外流水道记录了灾难性洪水，三角洲和古湖盆则指示了曾经存在的静水。岩石的化学组成也支持这些地貌特征。黏土等含水矿物形成于诺亚纪早期，那时水分布更为广泛；而希斯珀里亚纪晚期的硫酸盐沉积则暗示着更为干燥、酸性更强的环境。

地表探测任务进一步扩充了这一记录。在盖尔撞击坑，好奇号火星车开展的地质学研究发现了黏土矿物，它们在行星逐渐变干的过程中与硫酸盐卤水发生反应而发生了蚀变。撞击坑内的层状沉积物表明，这里曾经存在湖泊。好奇号后来对箱状山脊和结核的研究，被解释为地下水存在的证据：地下水退去时沉积了矿物。在杰泽罗撞击坑，毅力号火星车研究了“边缘单元”，这是撞击坑内缘的一个区域。科学家原本预期这里会有湖泊沉积物，结果却发现了火成岩。分析表明，至少发生过三次独立的水–岩相互作用事件。其中最晚的一次在东部单元形成了含萤石的硫酸钙脉，研究人员认为这是后来由火山驱动的热液循环的产物。这一解释是根据矿物化学推断得出的，并非对古代热水的直接测量。

如今火星上的水大多以冰的形式存在，包括大型极地冰盖和浅层地下的冰。因此，对宜居条件的探索主要聚焦于火星湿润的过去，以及水留下的化学痕迹。

巨行星与冰巨星

四颗巨行星的质量远大于类地行星，它们的大部分质量由环绕着一个相对较小的核心的轻元素构成。木星和土星主要由氢和氦组成，但它们的深层内部在通常意义上并不是气态的。随着深度增加、压力升高，氢会从分子气体转变为致密的流体，最终成为金属氢，它像金属一样导电。这一转变所需的压力大约是地球大气表面压力的数百万倍。在木星中，金属氢层占据了大部分内部空间，人们普遍认为其中的电流产生了太阳系中最强的磁场。在土星中，金属氢区从云顶以下数万千米处开始，一直延伸到约为行星半径一半的深度。在这些条件下，氦在氢中的溶解度较低，因此氦的液滴会下沉，并以热的形式释放引力势能。

核心与包层

巨行星的深层核心仍然缺乏精确的约束。标准模型假设，核心由岩石、金属和冰的混合物构成，这些物质在行星形成早期聚集起来，并逐渐长大到足以吸引周围气体的程度。较重的冰被认为会沉降到中心，在那里的温度和压力条件下，它们呈液态而非固态。因此，木星的核心之上可能存在一层厚厚的"液态冰"，由水、氨和甲烷组成。"朱诺号"探测器对木星引力场的测量结果，被一些研究者解释为核心是一个弥散、部分溶解的结构，而非紧凑的致密核心。目前的实验室实验尚无法再现核心边界处的极端条件，因此从第一性原理出发的模拟仍是检验这些设想的主要工具。

冰巨星天王星和海王星的成分有所不同。相对于其质量，它们所含的氢和氦要少得多，其内部主要被认为由处于高温、高密度流体状态的水、氨和甲烷构成，下方覆盖着岩质核心。它们的外层大气富含氢和氦，上层大气中的甲烷会吸收红光，这使得这两颗行星呈现出蓝绿色。

行星环

四颗巨行星都有环系统，但外观差异很大。土星的主环最为壮观，主要由水冰颗粒构成，颗粒大小从细微尘埃到巨石不等。它们的动力学受到与行星卫星之间的引力共振影响，还受到嵌在环中的小型卫星的影响，这些小卫星会清除出空隙并雕琢出锐利的边缘。木星的环暗淡且颜色深暗，由从地球上难以观测到的尘埃组成。天王星和海王星则有狭窄、暗色的环，人们对其了解较少。目前已提出几种起源情景。一种认为，这些环是由卫星、彗星或被俘获的天体碎片构成的，它们在闯入洛希极限以内后被潮汐力撕裂。另一种认为，它们是行星自身形成过程中残留的物质。有分析表明，土星明亮的冰环可能比土星本身年轻得多，这一问题仍未有定论。

天王星与海王星

天王星的自转轴倾角约为98度，因此其自转轴几乎位于轨道平面之内。这意味着每个极点都会经历约42年的持续日照，随后是42年的黑暗。最主流的解释是，在太阳系早期发生过一次巨大撞击：一个体积约与地球相当的大型天体以高纬度方向撞上了年轻的天王星。撞击模拟能够再现这一倾角，也可能解释为何天王星的主要卫星都运行在同一个倾斜的平面内。然而，在某些模型中，单次撞击很难产生超过约70度的倾角，因此研究者也探讨了一系列较小撞击的组合，以及与已经消失的天体之间的引力相互作用，还有涉及一颗假想远方行星的自旋-轨道共振。这场争论尚无定论。相比之下，海王星的自转轴倾角约为28度。它的大气是太阳系中最活跃的大气之一：风速可达约每小时2000千米，是目前在任何行星上测得的最快风速。海王星释放的热量也多于它从太阳接收的热量，这表明它拥有内部能量来源，其内部很可能主要由冰质物质构成，而非氢。

卫星系统与潮汐力

巨行星拥有庞大的卫星系统，潮汐力塑造了其中许多卫星的轨道和内部结构。木星的四颗伽利略卫星——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四——处于拉普拉斯共振之中，其中木卫一、木卫二和木卫三的公转周期之比为4:2:1。这种共振使它们的轨道保持轻微的偏心，因此卫星不断受到潮汐应力的挤压与拉伸。木卫一因这种挤压产生的内部加热，使其成为太阳系中已知火山活动最剧烈的天体；木卫二的潮汐加热则被认为维持着其冰壳之下的地下海洋。木卫三是太阳系中最大的卫星，比水星还大。土星的泰坦卫星拥有致密的氮大气，其表面有液态甲烷和乙烷湖泊。海王星的海卫一与行星自转方向相反运行，这种构型表明它很可能是从柯伊伯带被俘获而来的。它的轨道正因潮汐摩擦而逐渐衰减，在遥远的未来，它可能会被撕碎。由此可见，潮汐力在这些系统中扮演着强大的角色，它会减缓自转、激发轨道偏心率、加热内部，并推动卫星轨道的长期演化。

形成与早期演化

行星被认为与其恒星同时形成。主流观点是星云假说：分子云中一块低温、高密度的区域开始在自身引力作用下坍缩。大部分质量汇聚到中心的原恒星中，其余的气体和尘埃则携带着云团原有的角动量，压扁成一个旋转的原行星盘。盘内的加热和尘埃沉降决定了各处的条件：靠近年轻太阳的区域温度较高，远离太阳的区域则较冷，因此化学组成以及可获得的固态物质种类随距离而不同。该假说由康德和拉普拉斯在十八世纪提出，后来得到定量化发展，如今已成为理解行星系统整体形成的基本框架。

主要的未解问题是固态颗粒如何长成行星。在核心吸积模型中，微米尺度的尘埃颗粒通过碰撞以及静电力和范德华力相互黏附，形成更大的聚集体。当天体达到千米尺度时，就成为星子，其自身引力会越来越主导后续的增长。经过反复碰撞，这些星子合并为行星胚胎，最终形成质量为几个地球质量的原始核心。该模型存在一个已知难题：简单估算表明星子形成得太快，与原始陨石的结构不符；而漂移的米级天体可能在长大之前就落入恒星。近来的研究通过砾石吸积解决了这些问题：核心借助捕获被吸引到盘内压强极大值处的厘米到毫米级颗粒而迅速增长。另一种途径是引力不稳定，认为质量足够大且足够冷的盘会在自身引力作用下直接碎裂成束缚态的团块。这一途径或许能形成核心吸积难以构建的宽轨道气态巨行星，但它被认为最适用于质量很大的盘，并非类地内行星的通常成因。

气态巨行星还面临另一项要求。核心需要积累约十倍地球质量的物质，并在原行星盘消散之前吸积足够多的气体。一旦核心达到临界质量，其引力就会以失控的方式从周围星云中拉入氢和氦：包层起初增长缓慢，随后迅速膨胀。因此木星和土星的大部分质量来自气体，而天王星和海王星吸积的气体相对较少，这也是它们被归为冰巨星的原因之一。这一过程必须在气盘的寿命内完成，通常只有几百万年，因为恒星辐射和恒星风，连同光致蒸发，会清除剩余的气体。气体一旦消失，行星的轨道基本就固定下来，因此气体消散的时间对最终的系统结构至关重要。

行星很少停留在形成的地方。成长中的行星与盘之间的引力相互作用会引起行星迁移。太阳系早期历史的模型正是建立在这一过程之上。大转向模型提出，木星形成于距太阳几个天文单位处，先向内迁移到约1.5天文单位，随后在土星被捕获进入与其的3:2平均运动共振之后，方向发生逆转。此后两颗巨行星一同向外迁移。在这一情景中，向内的移动清空了类地行星将要形成区域的物质，这可以解释火星质量较小以及内外小行星带成分上的差异。其批评者指出，初始条件似乎经过精细调节，结果强烈依赖木星与土星的初始间距，而且大多数模拟并未完整包含巨行星的气体吸积。尼斯模型则描述了之后的历史。它始于紧凑、近乎圆形轨道上的巨行星，外围环绕着大量星子盘。当木星与土星越过它们之间的2:1共振时，动力学不稳定被触发，将外行星向外散射，重塑了柯伊伯带，并可能在约39亿年前造成了晚期重轰击期。后来的版本则从已经处于共振链中的巨行星开始，这与大转向模型的初始条件相吻合。总体而言，这些模型试图解释太阳系轨道为何如此分布，但具体的事件顺序仍不确定，相关情景也在不断地以新的模拟结果和陨石证据加以检验。

轨道动力学与自转

开普勒轨道

作为一级近似，每颗行星绕太阳运动时都可以看作只有这两个天体相互作用，因此其轨道是一条圆锥曲线，通常是接近圆形的椭圆。描述这一轨道需要五个轨道根数。半长轴决定椭圆的大小，并通过开普勒第三定律决定轨道周期。偏心率衡量椭圆偏离圆形的程度。轨道倾角给出轨道平面相对于参考平面（通常取黄道面）的倾斜角度。升交点经度和近日点幅角则确定轨道在空间中的位置以及它在轨道平面内的指向。地球的偏心率约为0.017，因此在一年之中它与太阳的距离只变化约3%。水星的偏心率约为0.21，其距离变化则大得多。其他行星的引力摄动会使这些轨道根数在数千年的时间尺度上缓慢漂移。

轨道共振

当两个或多个天体的轨道周期成简单整数比时，它们会每隔一定时间回到相同的相对位置，彼此之间的摄动因此不断累加，而不是相互抵消。最典型的例子是木星内侧卫星之间的拉普拉斯共振。木卫一、木卫二和木卫三形成了轨道共振：木卫一绕木星运行四圈的同时，木卫二绕行两圈，木卫三绕行一圈。这种构型并非简单的二体通约关系，而是三体关系，它使卫星的轨道保持一定的偏心率，而不是让偏心率逐渐衰减至接近零。木星的引力使卫星沿着偏心轨道反复拉伸和挤压，内部摩擦由此产生热量。

另一个广为人知的例子是海王星与冥王星之间的3:2关系：冥王星每绕太阳运行两圈，海王星便绕行三圈。正因如此，冥王星的轨道与海王星的轨道相交，但两者永远不会靠得很近。

潮汐锁定与潮汐加热

一个天体对另一个天体施加的潮汐会重新分配角动量并耗散能量。随着时间推移，卫星的自转会逐渐减慢，直至其自转周期与公转周期相等，于是一个半球永远朝向其中心天体。地月系统就是人们熟知的例子，冥王星与卡戎之间也处于相互锁定的状态。水星是一个有启发意义的例外：它处于3:2自转-公转共振状态，即每公转两圈自转三圈，这是其高偏心率所导致的结果。

潮汐耗散还会把轨道能量转化为天体内部的热能。在木卫一上，木星潮汐和卫星偏心轨道引起的形变足以驱动太阳系中已知火山活动最剧烈的表面。木卫二和土卫二的地下海洋至少部分地也是由潮汐加热维持的。

轴倾角与季节

轴倾角，又称黄赤交角或自转轴倾角，是行星自转轴与轨道平面法线之间的夹角。地球的轴倾角约为23.4°。正是这一倾角而非与太阳的距离造成了季节变化：它改变了阳光照射每个半球的角度以及昼长。各行星的轴倾角差异很大。火星的轴倾角在长时间尺度上在约15°至35°之间变化，因此其季节也比地球的更加不规则。金星则是逆行自转，轴倾角接近180°。

月球对地球起着稳定作用。地球的轴倾角在很大程度上受月球稳定，在约41千年的时间尺度上仅变化约1.2度。数值模型表明，若没有月球，地球的倾角可能在远大得多的范围内游移，这将使其气候变得难以预测。

米兰科维奇旋回

地球轨道和轨道取向的长期变化被称为米兰科维奇旋回。它包括三种周期性变化：轨道偏心率的变化，周期约为10万年；轨道倾角（黄赤交角）的变化，周期约为4.1万年；以及岁差，即自转轴的缓慢摆动，周期约为1.9万至2.3万年。该假说认为，地球轴倾角、岁差和轨道偏心率的变化会影响地球所接收的太阳辐射的分布和强度，从而大约每10万年引起显著的气候变迁。偏心率的变化改变地球接收到的太阳辐射总量，而岁差和倾角则主要改变辐射在不同纬度和季节之间的分配。此后，深海沉积物和冰芯记录证实，冰期与间冰期的交替确实与这些周期相对应，不过冰盖和温室气体等反馈机制放大了这一本身较弱的轨道强迫作用。

内部结构与磁场

行星的内部在形成之后很久仍在持续运作，其内部的热量主要来自三个来源。第一是吸积过程残留的能量：撞击和落入的物质把能量输入正在增长的天体。第二是分异过程中释放的引力能：致密的金属下沉到中心，较轻的硅酸盐则上浮。第三是岩石中钾-40、钍-232和铀-238等放射性同位素的缓慢衰变。大天体冷却更慢，因为其体积增长快于表面积，所以能保留热量更久。这些内部热量驱动地幔对流、火山活动以及地壳形变。在地球上，它还驱动板块构造运动。小天体失热更快，其地质活动往往较早平息。

利用地震学探测内部

直接测量行星的深部结构十分困难，因此地震学一直是主要的研究工具之一。NASA的洞察号（InSight）着陆器于2018年11月在埃律西昂平原（Elysium Planitia）着陆，携带了自20世纪70年代海盗号（Viking）着陆器以来首台在火星表面运行的地震仪。该仪器名为"内部结构地震实验"（Seismic Experiment for Interior Structure），于2018年12月开始记录数据。在大约四年的时间里，洞察号探测到一千多次火星震动。其中大多数源自刻耳柏洛斯裂谷（Cerberus Fossae）地区，最大的一次估计约为5级，发生于2022年5月4日。这些事件可分为两类：少数是大型的远距离地震，另有大量频率较高的小型地震，它们似乎在更接近表面的位置传播。地震波在不同物质的边界处会发生加速、减速和反射，因此其传播时间与路径可以用来约束地壳厚度、地幔结构以及地核的大小和状态。洞察号的结果表明，火星地壳厚度达数十公里，地核半径约为1800公里，且至少部分为液态。各方报道的数字有所出入：早期公布的数据在最初几个月中提到174次事件，但随着任务持续，总数有所增加。洞察号任务于2022年12月结束。

行星发电机的工作原理

要产生由内部驱动的全球性磁场，需要一台发电机（dynamo）。它需要三个条件：一层导电流体、该层内的对流运动，以及能够使流动有序化的自转。对流既可以由下方逸出的热量驱动，也可以由成分差异驱动，例如地核缓慢结晶时，较轻的物质向上升浮。自转使上升和下沉的流体扭转成螺旋状图案，把运动转化为大尺度电流，而这些电流维持并增强了磁场。在地球上，发电机位于外核之中：外核是一层液态铁镍合金，环绕着固态内核，并产生了地球磁场。木星的发电机范围要大得多。氢在数千公里深处转变为金属态，在这一导电区域中的对流产生的磁场在赤道处约为地球的十四倍。朱诺号（Juno）的测量显示，发电机区域位于木星半径约81%以内的深处，其上方的氦雨似乎影响着对流。天王星和海王星不存在金属氢，其磁场被认为源自由水、氨及其他化合物构成的各层中的发电机作用。它们的磁场强烈倾斜，并且偏离中心，这与复杂的流动相吻合。木卫三是目前已知唯一拥有由活跃液态金属核产生磁场的卫星。

磁场与大气保护

行星是否拥有全球性磁场，对其大气有着直接影响。像地球这样的磁场能使太阳风中的带电粒子偏转，并形成磁层，保护高层大气免受直接侵蚀。火星是最鲜明的对比。其全球性发电机似乎在早期曾经运作，在那一时期冷却的岩石仍保存着磁场方向的记录。多项证据表明，磁场大约在四十亿年前减弱或停止，不过不同研究对磁场终止时间的估计各不相同。火星比地球小，冷却也更快，因此其地核可能更早凝固；一旦对流停止，发电机便无法维持。如今，火星只剩下零星分布的地壳磁性，以及由太阳风与其电离层相互作用产生的微弱感应磁层。NASA的MAVEN轨道器的观测表明，大气仍在持续流失。测量显示，火星约三分之二的氩已逸散到太空中；模型则表明，磁场的消失使太阳风得以剥离早期大量的二氧化碳和水。不过，这一关联并不简单。一些模拟表明，弱磁场或无磁场本身并不能决定大气逃逸，行星的引力、离子成分以及太阳活动同样起着作用。金星没有类似地球的全球性磁场，却仍保有稠密的大气，这说明磁性只是多种因素之一。

大气层与能量平衡

成分与向太空的逃逸

行星大气并非一成不变。气体可以从大气层顶部逸出，逸出过程取决于温度、引力和行星的磁场。在热逃逸（金斯逃逸）中，高层大气里运动最快的分子会超过行星的逃逸速度而脱离。在相同温度下，质量较轻的分子运动更快，因此氢比二氧化碳更容易从同一大气中逃逸。在当今的地球上，大多数气体的热逃逸都很缓慢，氢和氦从大气顶部流失的速率仅为每秒几千克或几克。

非热过程可以带走多得多的气体，在没有全球性固有磁场的天体上尤其如此。火星没有全球性的固有磁场，因此太阳风会直接与其高层大气相互作用。由此引发了几种机制。紫外线可以使大气粒子电离，随后太阳风气流可能将它们捕获并带走。高速离子还可以通过一种称为溅射的过程，将中性原子从大气中击出。金星和火星上也存在同样的链条：紫外线将水分解为氢和氧，轻质的氢随后被太阳风吹离。引力同样决定了结果。引力较强的行星，如金星和地球，在其原始的轻元素包层大部分散失之后，仍保留了较重的次生大气；而火星稀薄的现代大气则说明它经历了更大规模的流失。

能量平衡、反照率与温室气体

行星表面温度取决于它吸收多少太阳光，以及它向太空辐射热量的效率。入射光被反射的比例即为反照率。云是控制反照率的主要因素：金星上的硫酸云反射了大部分入射阳光，但这并不能阻止其表面的极端升温。温室气体则决定了能量平衡的另一半。它们吸收地表发出的红外辐射，并将其中一部分重新向下辐射，因此地表最终比行星向太空辐射时的温度高出许多。在地球上，这一效应使地表温度升高约33 K。相关细节参见地球能量收支以及温室效应。

金星是最极端的例子。二氧化碳在地球大气中仅占0.03%，而在金星大气中却占96.5%。金星表面的温度高到足以熔化铅，气压约为地球表面气压的九十倍。一种主流假说认为，早期金星失去了水分，而随着水分逐渐流失，大多数消耗CO₂的过程最终会停止，这与地球的情况不同。火山活动释放的二氧化碳于是会在数十亿年间不断累积在金星大气中。相比之下，在地球上，大部分CO₂要么以化学方式束缚在地壳岩石中，要么溶解于海洋的水体中。金星是否经历过失控温室阶段，这一假说被广泛讨论，但对于高温、富含水汽的大气的物理过程，人们仍不完全清楚。

天气与动力学现象

即使是没有海洋的行星，也存在由加热差异和自转驱动的天气。木星的大红斑是一个持续时间很长的反气旋风暴，比地球还大，已被观测了数百年，其尺度在近几十年间不断缩小。它的持久性取决于该行星深层的对流以及急流的稳定性。

土星最大的卫星土卫六，其表面气压约为地球的1.5倍，温度接近94 K，因此它的天气以甲烷而非水为循环介质。甲烷从地表蒸发并升入大气，在那里凝结成云。偶尔，它会以冰冷、油状的雨滴落到坚硬如岩石的水冰表面上。北半球的湖泊和海洋正是通过这一循环得到补给，近期的观测还在其上方发现了对流云的证据。紫外阳光也会分解甲烷，并生成更重的分子。乙烷一旦落到土卫六的山脉上并流入其海洋，便不会再次蒸发。因此，甲烷循环并非闭合的回路，甲烷必须从某处得到补充。

比较行星学与气候模型

金星、地球和火星可作为检验气候模型的天然试验场。金星展示了致密的二氧化碳大气在极端温室效应下的表现，这是对气候模型所用辐射传输程序的一项检验。火星拥有稀薄的大气和微弱的磁屏蔽，可用来检验挥发性物质流失模型，以及地表水长期稳定性的模型。地球则提供了测量最为充分的案例，相关数据来自地球大气层的观测以及冰芯等记录。每颗行星都揭示了气候科学在地球上也必须解释的物理过程的不同侧面。能够同时重现这三者的模型，便能说明哪些过程是本质性的，哪些只是次要的。

系外行星：发现与多样性

直到20世纪90年代初，人们才知道有行星绕其他恒星运行。天文学家于1992年发现了太阳系外的第一颗行星，并于1995年发现了围绕类太阳恒星运行的第一颗行星。最早的发现出现在脉冲星周围，脉冲星是快速自转的坍缩恒星残骸。围绕一颗普通主序星运行的第一颗行星发现于1995年。米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹于当年10月宣布了这一发现。该天体名为飞马座51b，是通过它在宿主恒星光谱中引起的周期性多普勒效应探测到的。这种频移被解释为恒星绕着恒星与行星系统的共同质心运动。这一发现获得了2019年诺贝尔物理学奖。

飞马座51b因其轨道而令人惊讶。它的最小质量约为木星的一半，并且仅距其恒星约0.05天文单位，位于水星轨道之内。当时公认的行星形成理论无法解释如此近距离上存在一颗木星大小的行星。随后的研究表明，这类行星并不罕见，并由此形成了一个有专门名称的类别。这种气态巨行星现在被称为热木星。文献中的一种定义将其描述为质量至少为0.25个木星质量、轨道周期短于10天的气态巨行星。现在人们认为，其中许多行星最初形成于更远的地方，随后在数百万年间向内迁移至靠近恒星的位置。热木星只占已知系外行星的少数，但它们最容易被探测到，因为其质量大、轨道近，产生的信号最强。

其他类别的定义则较为宽松。超级地球是指比地球大、但比海王星小的行星，迷你海王星是与之相关的一类。一些气态巨行星的体积是木星的数倍。目前发现的大多数行星主要是岩质天体，其大小介于地球与海王星之间，因而是迄今为止最常见的已确认类型。这些类别之间的界限是大致的，它们依据的是半径或质量，而不是形成历史。不束缚于任何恒星的自由漂流行星质量级天体构成了另一类别，其起源至今仍有争议。

多行星系统能更清楚地展现行星的结构。最著名的例子是TRAPPIST-1，这是一颗约40光年外的低温暗淡恒星。它拥有迄今在单一恒星系统中发现的、大小约与地球相当的行星数量最多的一组。该系统于2017年2月宣布，这得益于美国国家航空航天局斯皮策太空望远镜的观测，它揭示了第一个已知的、围绕单一恒星运行的七颗类地行星系统。其中三颗行星位于宜居带内，即恒星周围岩质行星最有可能存在液态水的区域。后续测量表明，TRAPPIST-1的行星密度惊人地相近，这暗示它们的整体成分大体相似。这些行星也紧密围绕其恒星运行，因此其公转周期远短于地球。这类系统检验着行星形成的模型，也检验着紧凑、间距很小的行星家族是否普遍存在。

已知系外行星的数量增长迅速。1992年，已确认的系外行星数量为零。美国国家航空航天局的系外行星档案于2025年9月突破6000颗已确认行星，截至2026年10月1日，其目录列出了6375颗已确认行星。近期的大部分增长来自凌星系外行星巡天卫星（TESS），它对全天进行凌星系外行星巡天；自2022年以来确认的1000颗系外行星中，近一半是由TESS发现的。对这些巡天数据的统计分析表明，从类太阳恒星到小得多的红矮星，行星在多种类型的恒星周围都很常见。由于目录偏向于更容易探测的大质量、近轨道行星，长周期轨道上类地行星的真实频率仍然缺乏充分的约束。

探测方法

大多数系外行星太暗，且离其恒星太近，难以被直接拍摄，因此天文学家绝大多数是通过间接信号发现的。目前已编目的系外行星接近六千颗，其中最有效的两种技术是凌星法和径向速度法。其他技术，如引力透镜和直接成像，能够探测到前两种方法无法探测的行星。每种方法偏好探测的行星类型不同，因此巡天观测常常将多种方法结合使用。

凌星法

凌星巡天寻找的是恒星亮度的规律性下降，这种下降发生在行星从地球视角穿过恒星表面时。通过测量流量（或者说亮度的变化），我们可以计算出行星的半径；通过测量两次凌星之间的时间间隔，可以获得行星绕宿主恒星公转周期T的信息。该方法有一个严格的几何要求：只有轨道几乎与观测者视线处于同一平面的系统才能产生凌星，因此大多数行星系统对该方法是不可见的。它的单个目标观测成本也较低。由于该方法能以相对较低的成本，同时对大量目标进行高测光精度的观测，因此发现了许多凌星系外行星。凌星发现的绝大部分来自开普勒和TESS两台空间望远镜。

单凭凌星无法得知行星质量，因为亮度下降对质量并不敏感。一般而言，所有通过凌星法探测到的行星，都需要后续的径向速度测量才能确定质量。

径向速度法

径向速度测量追踪的是恒星而非行星。行星与恒星绕着共同的质心运动，因此恒星会以周期性的方式朝向和远离观测者运动。恒星的光谱在靠近观测者时发生蓝移，远离时发生红移。这是一种多普勒效应，通过光谱学中谱线的位移来测量。摆动的幅度限制了行星的质量：对系外行星的径向速度测量，连同轨道周期和偏心率，可给出行星质量的下限。由于轨道倾角通常未知，所得到的质量是最小值。

该方法是最先取得成功的方法。1995年发现的飞马座51b（51 Pegasi b）是一颗绕类太阳恒星运行的行星，正是通过这种方法发现的。现代光谱仪的灵敏度已大幅提高：能产生约1米/秒恒星速度振幅的行星已可常规探测，并且已测得低至22厘米/秒的信号。它的局限主要来自实际操作而非几何因素：径向速度巡天成本高昂，通常每次只覆盖几百颗明亮恒星，而且该技术不需要连续监测，因此适用于地面望远镜。

直接成像、天体测量与微引力透镜

直接成像捕捉的是行星自身发出的光，通常是其热红外辐射。一般来说，我们只能观测到那些特别大、温度较高、且距离太阳系较近并远离其恒星的行星。目前的直接成像巡天能够探测质量大于火星、且与恒星间距大于几个天文单位的行星，这涵盖了除水星外大多数太阳系行星的类似天体。

天体测量则测量恒星在天空中视位置的微小周期性偏移。它最适合探测位于宽轨道上的大质量行星，因为这类行星引起的摆动更大，更易测量。

引力微透镜利用前景天体使远处背景光源的光线发生弯曲的效应。由于微透镜并不依赖于探测来自宿主恒星的光子，它能够发现其他方法无法看到的行星。其探测范围也异常广阔：微透镜是唯一能够探测到距离数千秒差距外系外行星的方法。然而，这类事件非常罕见且不可重复，因此每颗行星通常只能被探测到一次。

通过透射光谱学进行大气表征

一旦发现凌星行星，就可以探测其大气。凌星期间，星光穿过行星的高层大气，不同气体对不同波长的吸收程度各不相同。由于各种不透明度随波长的变化，凌星深度也随波长而变化，因此每个波长处测得的深度都记录了大气的成分。在詹姆斯·韦伯太空望远镜投入使用之前，哈勃太空望远镜和大型地面设备已在多颗行星中探测到了水汽、钠和钾。地面观测在红外波段受到限制，因为地球大气的遮挡使地面测量无法深入红外波段，而许多关键的分子特征恰恰位于此处。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜直径为6.5米，而哈勃望远镜的主镜直径为2.4米。它已在炙热木星WASP-39 b的大气中探测到多种分子，包括二氧化碳和二氧化硫。气态巨行星是最容易观测的目标，因为它们以氢为主、范围广大的大气会产生强烈的光谱特征。而小型岩质行星的信号要弱得多，探测难度依然很大，不过韦伯望远镜或许能够收集到足够的光线，用于研究一些类地系外行星的大气。

航天器对太阳系的探测

航天器已经造访过每一颗主要行星。在第一批长期轨道探测器抵达之前，最早的几次任务就已经塑造了科学家的认知。美国国家航空航天局于1973年11月3日发射了水手10号，用于飞掠水星和金星。它的航线依靠引力助推，这一技术在此前已被理论化数十年，但从未实际使用过：航天器借助某颗行星的引力改变飞行方向，飞向下一个目标。金星使水手10号的轨道发生偏转，使它能够在只消耗极少燃料的情况下多次与水星相遇。它在1974年和1975年间的三次水星飞掠共传回两千七百多张照片，最终这次任务绘制了近一半水星表面的图像。图像显示水星表面布满陨石坑，与月球相似；探测仪器还测得了微弱的磁场，以及主要由氦组成的极稀薄大气。这些短暂飞掠所获得的数据，构成了此后三十多年人们对水星的几乎全部认识，直到信使号轨道器的到来。

金星则以另一种方式被研究。苏联的金星号计划包括了第一批在另一颗行星充满敌意的大气下、并在其表面存活下来的航天器。1967年发射的金星4号分析了金星高层大气的化学成分，为科研界提供了第一批直接测量数据。金星9号和金星10号于1975年10月抵达地表，传回了首批近距离拍摄的金星表面照片，显示出棱角分明的岩石和细小的尘埃。金星9号在地表只工作了约53分钟；金星11号和金星12号的着陆器则因镜头盖故障，无法对地面成像，不过仍然传回了其他数据。金星13号降落在一个名为福柏区的低地，其存活时间远超预期，并传回了首批金星彩色照片。之后，金星14号成为第二个传回彩色图像的金星地表探测器。这些图像表明，金星表面的大部分区域可能是火山成因。1985年，苏联的织女星号着陆器延续了这项工作，但此后再无金星着陆器投入运行。

美国国家航空航天局的双子海盗号任务，首次全面研究了火星表面。海盗1号于1976年7月20日着陆，成为第一艘在火星表面着陆并回传数据的美国探测器。海盗2号随后于1976年9月3日在平坦多岩的乌托邦平原成功着陆。由于火星附近的单程信号延迟增至约20分钟，两台着陆器的进入、下降和着陆过程都实现了全自动。其中争议最大的结果来自标记释放实验：当研究人员检测火星土壤中的微生物时，实验报告了阳性结果，但此后大多数科学家认为，这些结果是由土壤中异常的化学过程造成的，而并非生命所致。自那些实验以来，最重要的变化是在火星上发现了高浓度的高氯酸盐，它可以在不需要生命存在的前提下解释海盗号的结果。少数研究者，包括该实验的首席研究员在内，仍然坚持认为仪器探测到了微生物。

外行星则由另一代任务抵达。旅行者1号和旅行者2号于1977年发射，分别对木星和土星进行了飞掠。旅行者2号之后于1986年造访天王星，1989年造访海王星，是唯一抵达过这两颗冰巨星的航天器。卡西尼号于1997年发射，2004年进入土星轨道，并释放了惠更斯号探测器，后者于2005年1月降落在土卫六上。在十多年的时间里，卡西尼号绘制了土星环和卫星的图像，并发现了土卫二喷发出的水冰羽流，最后于2017年坠入土星大气，结束了任务。朱诺号自2016年起环绕木星飞行，利用对木星引力场和磁场的精确测量，探测其内部的深度结构。

火星车则将关注点从“是否存在生命”转向“这颗行星是否曾经适宜居住”。美国国家航空航天局的好奇号火星车于2012年在盖尔陨石坑着陆，它分析了记录古代湖泊环境的沉积岩，这些岩石的化学成分可能曾支持微生物生存。毅力号于2021年在杰泽罗陨石坑着陆，它正在将岩芯样本封存于密封管中，以备未来可能带回地球，同时它还在研究一个曾经的湖泊和河流三角洲。样本返回与陨石分析则提供了互补的研究途径：阿波罗任务从月球带回的样本，以及日本隼鸟2号和美国国家航空航天局奥西里斯-REx从小行星带回的样本，使实验室能够借助体积过大、无法随航天器发射的仪器，测量同位素和矿物成分。对这些材料进行放射性测年，能够以仅靠远程观测无法做到的方式，限定行星分异、陨石撞击以及早期水活动的时间线。

宜居性与寻找生命

宜居带是寻找地球以外生命的主要工具。通常的定义是：围绕恒星的一段距离范围，在此范围内，具有类地表面的行星能够使其表面保有液态水。这一判据自20世纪70年代末起就已使用，使宜居带成为表面生物圈可能存在区域的代理指标。研究者将液态水视为核心条件，因为已知的生命依赖水作为化学反应的介质；但他们也承认，能量来源、化学多样性和长期的环境稳定性同样重要。化学能源、元素多样性和长期稳定性也被视为同样重要的因素。

宜居带只是一个简化的边界，并不等于保证。其内缘由以下临界点决定：大气中水汽不断增加，使行星进一步变暖，直至表面水逐渐流失。关于这一极限的研究，因对云层的处理方式不同而得出了一系列不同的估计值。潮汐锁定行星向日面的强烈成云作用可提高反照率，并使背日面保持低温，这实际上将内缘向内推移。反过来，位于宜居带内也不能保证宜居，因为生命所需的条件不仅是液态水。一些学者还认为，宜居带的标准可能过于宽松，难以从中筛选出可能孕育复杂生命的世界。也有人提出，宜居带对支持复杂生命而言可能限制不够严格。

有几个因素与轨道距离无关。大气压强便是其一：获得液态水的主要障碍在于温度和压强是否处于合适的范围。恒星活动是另一个因素。围绕M型矮星运行的行星，在演化早期可能遭受高能爆发的侵袭，包括强烈的X射线和紫外线爆发，以及可能打断水分子并侵蚀大气的日冕物质抛射。围绕此类恒星运行的近距离行星往往也处于潮汐锁定状态，这可能造成昼夜两侧之间巨大的温差。潮汐加热是由引力挠曲引起的内部加热，它能使远离恒星的水保持液态。对于土卫二，一项模拟研究得出结论：其液态水主要由潮汐加热维持，但该结论取决于所设定的参数。磁场屏蔽和厚大气的保护作用同样影响表面条件，不过本词条其他部分会更详细地讨论这些问题。

冰质卫星的地下海洋已成为表面宜居性最突出的替代选项。卡西尼号发现，土星卫星土卫二拥有一片地下海洋，该海洋符合公认的宜居判据，具备生命必需元素、液态水和能量来源。水汽和冰粒从南极附近的裂缝中喷出，因此无需钻透冰层即可对海洋成分进行采样。土卫二的液态水体可能局限于其热活动活跃的南极区域，而木卫二的海洋很可能是全球性的，并且可能与该卫星的岩质底部相接触。冰壳还能保护地下海洋免受高能辐射的伤害，这也是此类海洋被视为有吸引力的栖居环境的原因之一。这些环境是否真的存在生命，仍是未知数。下一步是重返土卫二，以确定这片宜居的海洋是否确实有生命存在。

生物特征是指可能指示生命存在的可观测气体或特征，围绕它们的争论显示出探测之难。氧气和甲烷是典型例子，但二者都可以在没有生物参与的情况下形成，因此对它们的解释需要结合具体背景。磷化氢（PH₃）是一个清晰的案例。在地球上，它与微生物活动有关。2020年，简·格里夫斯领导的团队报告称，在金星云层中检测到约20十亿分之一的磷化氢。该团队认为，没有任何非生物过程能够在所探测到的浓度下产生这种气体。随后，独立的再分析对这一结论提出了质疑。一项阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）的再分析未能重现这一探测结果，反而给出了约1 ppb的上限。另一个研究团队则认为，原始分析将磷化氢的光谱特征与二氧化硫的光谱特征混淆了，而二氧化硫在大致相同的波长处吸收光线。原研究小组后来重新分析了数据，得出的磷化氢丰度位于十亿分之几到十亿分之十几的范围内。由于先驱者金星计划的探测器数据似乎也显示存在磷化氢，一篇近期重新审视这些数据的论文确认了金星上磷化氢的探测结果。尽管如此，这种气体的来源仍未得到解释，这场争论很可能只有在未来对金星大气中磷化氢进行原位测量后才能解决。

作为一门学科的行星科学

行星科学没有单一的母学科。从事这一领域的研究者分布在地质学、地球科学、天文学、物理学和化学等系科，而且许多人会在这些学科之间转换。行星地质学家绘制表面地图，解读撞击和火山活动的历史；大气科学家模拟风和云；天体物理学家研究年轻恒星周围的盘如何演化为行星系统；化学家则分析构成行星和陨石的物质。宇宙化学把这些领域联系在一起。通过放射性测年对陨石进行实验室测年，已确定太阳系的年龄约为45.6亿年；原始陨石的化学组成则限定了早期星云的条件。

在极端条件下对材料进行实验室研究，是模拟行星内部的核心。在金刚石对顶砧中，样品被夹在两个金刚石压头之间，压力可达数百吉帕，并可用激光加热。冲击实验利用气炮或强激光产生的高压冲击波，在微秒量级内达到类似的状态。这些实验测量铁、硅酸盐、水和氢的密度、状态方程、熔化行为和相变。此类研究有助于解释为何地球核心的密度低于纯铁，这表明铁中合金化了较轻的元素。针对约330吉帕压力下铁合金的实验（相当于地球内核边界的条件），被用来以地震数据检验这一解释。

数值模拟填补了实验和观测无法触及的空白。引力N体程序追踪行星数十亿年的轨道演化，包括共振和迁移过程。流体动力学模型跟踪尘埃如何增长为微行星，以及气体如何在原行星盘中吸积到巨行星的核心上。对对流且导电的核进行磁流体动力学模拟，用以检验发电机机制能否维持磁场。大气和气候模拟包括最初为地球建立、后来被改造用于火星、土卫六和系外行星的大气环流模式。每一种模拟都依赖于关于成分、云物理和边界条件的假设，因此建模者会用航天器和望远镜的数据校准结果，并给出明确的不确定性范围。

比较行星学把地球视为众多案例之一，而不是唯一的参照。金星、地球和火星最初的物质基础大致相似，但大气却截然不同。金星致密的二氧化碳大气为极端情形下的温室辐射传输提供了检验；火星稀薄的大气和水的流失则检验大气逃逸模型。"暗淡年轻太阳"问题指的是：早期太阳更暗，但早期火星似乎存在液态水，这一问题被用来检验气候模型能否在微弱的阳光下重现温暖的环境。从这些星球获得的经验又反馈到地球的气候科学中，因为一个无法重现失控温室效应或寒冷湿润的早期火星的模型，其缺陷也可能对地球产生影响。

观测同样重要。遥感利用光谱学、热红外成像和雷达，从轨道上绘制表面和大气的图像。二十世纪九十年代初，麦哲伦号探测器利用雷达穿透云层，绘制了金星大部分表面的地图。着陆器、探测车和探测器的原位测量提供了实地数据，用以校准遥感数据并检验模型。综合来看，地质学、大气科学、天体物理学和化学等方法相互结合，以重建行星如何形成、演化，以及有时如何失去使其适宜居住的条件。

命名、文化与历史影响

大多数行星名称来自古典神话。在望远镜出现之前就已知的五颗肉眼可见行星，以罗马神祇命名，而这些神祇又源自希腊神话中与同样的“游动之光”相关的神。因此，水星、金星、火星、木星和土星记录了一条漫长的文化转译链条，从美索不达米亚和希腊的观测一直延伸到罗马宗教。地球是例外，它的名称是一个普通的日耳曼语词，而不是神祇的名字。当外行星在现代望远镜时代被发现时，命名也遵循同样的模式。威廉·赫歇尔于1781年发现天王星，最初提议以乔治三世国王的名字命名，但约翰·埃勒特·博德提出的以希腊天空之神命名的神话名称最终成为标准。海王星于1846年在厄本·勒维耶和约翰·库奇·亚当斯的预言之后被找到，其名称取自罗马海神。冥王星于1930年被发现，名称取自罗马冥界之神，后来被重新归类为矮行星。

国际天文学联合会（IAU）成立于1919年，自成立以来一直负责官方命名工作。其行星系统命名工作组自1973年起负责卫星的命名，国际天文学联合会也在多项决议中反复确认了行星与月球的经典名称。对于新发现的系外行星和卫星，国际天文学联合会的规则随时间推移变得更加开放。自2013年起，若某机构提交申请、不以营利为目的，并保证广泛的国际参与，便可以开展公开命名活动。拟定名称不得超过16个字符，应尽可能在多种语言中可以发音，不得在任何语言或文化中引起冒犯，且不得用于纪念主要因政治或军事活动而闻名的人物或事件。发现者还必须正式同意该名称。

中国天文学发展出了自己的命名传统，其根源在于五行哲学。内行星分别与金、水、木、火、土五种元素相对应，其现代名称由这些元素加上“星”字构成：金星、水星、木星、火星和土星。地球的名称“地球”，字面意思是“大地之球”。越南语以类似方式构造行星名称，使用词语“sao”（星）。三颗外行星是在与西方天文学长期接触之后才被发现的，因此其中文名称如天王星和海王星，是西方神话名称的语义翻译。传统历法也反映了这一体系。太阳、月球和五大行星被合称为“七曜”，这种七分循环在整个东亚的历法系统中被使用。

行星也为许多语言中的星期命名提供了依据。七日行星周制度确立于希腊化时期，其确切起源至今仍有争议。在罗曼语族中，星期一至星期日仍分别以月亮、火星、水星、木星、金星、土星和太阳命名。英语则通过罗马神祇的日耳曼式诠释遵循同样的逻辑：星期二、星期三、星期四和星期五分别对应提乌（Tiw，火星）、沃登（Woden，水星）、托尔（Thor，木星）和弗丽嘉（Frigg，金星）。日语和韩语的星期名称保留了东亚版本的顺序，并使用相应天体对应的五行元素。

行星名称也引出了天文学与占星术之间的区别。占星术所用的“行星”是另一套体系，通常包括太阳和月亮，并且为每个天体赋予象征意义。五行中的对应关系，例如金星与金，属于文化分类，而非物理测量。现代天文学依据观测到的性质和国际天文学联合会的规则对天体进行命名和分类，不依赖占星学的关联。因此，尽管同样的神话名称同时出现在两种传统中，国际天文学联合会的命名过程仍与任何占星传统相互独立。

未解决的问题与争论

关于行星，仍有若干重大问题尚未解决。其中一些涉及太阳系外围，一些涉及巨行星如何获得其性质，还有一些涉及用于将天体归类的定义。

第九行星假说

包括塞德娜在内的若干极端海王星外天体，其轨道与已知巨行星所能产生的轨道并不相符。2016年，康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）与迈克·布朗（Mike Brown）提出，若存在一颗质量约为五到十个地球质量的行星，其距太阳的距离约为海王星的二十倍，公转周期约一万年，便可解释这些轨道的聚集现象。之后的分析认为，观测偏差可能夸大了这一规律；而较新的发现，例如类塞德娜天体 2023 KQ14，与预测的轨道结构吻合得很差。迄今的搜寻尚未找到可信的候选天体，因此该假说仍未得到证实。也有研究者指出，位于如此远距离的行星很难探测，因为它会非常暗弱，并且相对于背景恒星移动得极其缓慢。

天王星的倾角与火星的小质量

天王星的轴向倾角约为98度，这意味着其自转轴几乎位于其轨道平面之内。目前最主要的解释是太阳系早期发生过一次巨大撞击：一个质量或许相当于一到三个地球质量的天体撞上了这颗年轻的行星。这样的撞击既可能使行星倾斜，也可能形成一个碎片盘，其规则卫星便是由此形成的。然而，该模型存在困难。大型撞击预计会以某种方式改变天王星的自转速率，而这很难与其现今的自转相协调；另外，其卫星系统的顺行轨道也不易由单次撞击产生。另一种提议认为，天王星曾被捕获进入自旋—轨道共振，使其倾角逐渐增大，这一过程可能还受到某颗假想的遥远行星的影响。火星则带来了相关的谜题。它的质量约为地球的十分之一，比位于其所在位置的行星所预期的要小得多。一类解释是"大转弯"（Grand Tack）情景，即木星在早期经历了先向内、后向外的迁移，截断了内盘，并限制了可供火星形成的物质。其他模型则将其较小的体积归因于局部星盘物质稀薄，这一问题仍未有定论。

热木星

热木星是轨道周期短于约十天的气态巨行星。核心吸积理论预测，巨行星应形成于雪线之外，那里固态物质丰富，因此热木星必定是在形成之后向内迁移的，或者是通过某种不寻常的途径原地形成的。两种迁移机制是最主要的候选：一种是盘迁移，行星与气态星盘相互作用，螺旋式向内运动；另一种是高偏心率迁移，行星受到其他天体的引力作用，进入一条高度拉长的轨道，其在近星点处的接近随后使轨道趋于圆化。2017年对数百颗热木星所做的一项统计分析将其中大多数归因于高偏心率机制，不过其不确定性较大。较新的模拟则表明，许多热木星可能是由一颗经过的恒星或另一个大质量天体所造成的突然扰动产生的，这也能解释为何其内侧往往没有伴随的行星。因此，谜题并不在于热木星常见——事实上，它们在所有行星中其实很罕见——而在于在那些对太阳系行之有效的模型中，它们的存在很难得到解释。

流浪行星

流浪行星是质量达到行星量级、却不绕恒星运行的天体。引力微透镜巡天已探测到其中一些，2017年的一项研究报告称其数量之多，可能意味着银河系中的流浪行星比恒星还要多。该估计依赖于关于探测效率的假设，仍存在争议。它们的起源同样不确定。许多流浪行星可能是通过引力散射从行星系统中被抛射出来的，但也有一些可能像小恒星一样，直接由坍缩的气体形成。第二种途径带来了边界问题：当其形成历史未知时，这类天体很难与低质量褐矮星区分开来。

定义与行星—褐矮星的界线

2006年国际天文学联合会的定义在多个方面受到批评。批评者指出，"清除轨道附近天体"这一要求在实践中难以检验，而且由于地球和火星都有共轨天体，它们是否满足这一条件也可以有不同解读。另一些行星科学家主张采用纯粹的地球物理定义，即依据天体是否由自身引力塑造成球形来判断，这样行星的数量将大幅增加。与褐矮星之间的界线同样带有约定性。约13倍木星质量这一数值被广泛使用，因为它大致标志着氘聚变的阈值，但实际的起始点取决于成分与形成历史，因此并不存在清晰的物理分界线。这些定义性问题仍在天文学界讨论之中。

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