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太陽系

我々が住む地球が所属する太陽系。
宇宙の中ではありふれている主系列星である「太陽」を主星とした恒星系である。

しかしそこに属する星々は様々な様相を呈しており、実に面白い。
ここでは太陽系のファミリーを簡単に紹介したいと思う。

太陽系は恒星「太陽」を中心とし、現在8個の惑星が確認されており、そのほかにいくつもの準惑星や小惑星、彗星などで構成されている。

[太陽]
[水星] [金星] [地球] [火星] [木星] [土星] [天王星] [海王星] [海王星] [第9惑星]
[ケレス] [冥王星] [ハウメア] [マケマケ] [エリス]
[ハレー彗星] [エッジワース・カイパーベルト] [2018 AG37] [セドナ] [2014 FE72] [オールト雲]

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恒星 (fixed stars)

太陽 (sun)

太陽系の恒星は1つ。
太陽」である。
スペクトル型は「G2V」(明るい黄)で、宇宙では比較的ありふれた存在であり、寿命はおよそ110億年程度と推定されている。
太陽の現在寿命はおよそ46億年で、一生の中では安定期とされている。

太陽の半径は6.9551×105km(地球直径の109倍程度)、質量は1.9891×1030kgである。
太陽自体、銀河系中心に対して公転をしており、約2億5000万年程度で一周するものと推定されている。
太陽と地球の平均距離は149,597,870.7kmで、これを1天文単位(AU)と定められている。
光速度で約8分19秒である。

太陽内部では水素(1H)の核融合反応(1H→4He)が起きており、それによりエネルギーを放出している。
現時点での水素含有率は約73.46%であり、これを使い果たした時点で太陽は寿命を迎えることになる。
太陽程度の質量の恒星では中心核で水素を使い果たすと、周りの水素が核融合を始める。
その後、中心核でヘリウム(4He)の核融合反応が始まる。
太陽は赤色巨星(現在の200〜800倍程度の大きさとなる)から脈動変光星(膨張と収縮を繰り替えすことで明るさが変化する恒星)となる。
そして、ガスを放出して白色矮星となるものと推定される。

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惑星 (planet)

太陽系の惑星は8つ。
それを順番に紹介していこう。

水星 (I:mercury)

水星」は第1惑星で、太陽に最も近い公転軌道を周回する地球型惑星である。
水星のラテン語名「mercurius」は、その運行速度が速いことから俊足の神より命名された。
和名である水星は古代中国の五行説「水」(速く動く)からで、更に「mercurius」が「水銀」を指すことから。

平均公転半径は57,910,000km(0.38709893AU)で、0.2409年(87日23.3時間)で1周する。
近日点が太陽の周りを周回するように変化しているが、これは従来のニュートン力学で説明できなかった。
後にアインシュタインの「一般相対性理論」により、太陽重力による時空の歪みによる影響とわかった。

自転周期は太陽の影響を受けて、58日15.5088時間と非常に遅く公転周期と2:3の共鳴関係になっている。
そのため、表面温度は太陽側では700K、反対側では90Kと大きく変化する。
しかし、極付近では永久影があり、そこにわずかながら水の存在が確認されている。

赤道直径は4,879.4km、質量は3.301×1023kgと、惑星の中では最も小さい。
(木星の衛星「ガニメデ」や土星の衛星「タイタン」より小さい)
大気はごくわずかだが存在している(10×10-10Pa)。
表面はクレーターだらけであり、見た目は「月」に似ている。

衛星及びリングは存在しない。

地球から観測すると太陽に近いため、裏側にいる場合は観測できず、太陽と重なっている場合も観測は難しい。
従って直接観測できるのは日の出、日の入りの前後となる。
また、太陽に近いことから探査機の投入も難しいため、その観測データはそれ程多くはない。
NASAの「マリナー10号」が1974年に初めて接近し、貴重なデータを得た。
その後、NASA「メッセンジャー」が2011年に到達し、新たな発見を得た。
現在はESAとJAXAによる「ベピ・コロンボ」が2018年に打ち上げられ、水星に向けて航行中である。

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金星 (II:venus)

金星」は第2惑星で地球型惑星である。
ラテン語名「venus」はローマ神話の美の神である。
日本でも古くから知られており、「明けの明星」「宵の明星」という呼び名もある。
明るく輝くことから古代中国の五行説「金」より名付けられた。

平均公転半径は108,208,930km(0.72333199AU)で、0.615207年(224.701日)で1周する。
自転周期は-243.0187日と非常に遅く、しかも逆行している。
(赤道傾斜角が177度、つまりほぼ反転している)
その理由は不明である。
(天体衝突説など諸説ある)

衛星及びリングは存在しない。

赤道直径は12,103.6km、質量は4.869×1024kgと地球より少し小さい程度である。
そのため、よく兄弟惑星とも称される。
しかし、その特徴は大きく異なる。

その最たるものは大気である。
地表面の大気圧は9,321.9kPaと、地球の約92倍もある。
その組成はほぼ二酸化炭素(CO2)であり、硫酸(H2SO4)の雲が浮かぶという地球とは全く異なるものである。
そのため地表面の気温は730K(460℃)にも達し、太陽系で最も熱い惑星でもある。
まさに温室効果の最終状態である。

惑星形成初期では地球と金星はそれ程変わらなかったであろうと思われている。
しかし、何らかの理由で金星では海が形成されなかったため、現在のような状態になったのであろう。
(これは地球で化合物として存在する二酸化炭素を全て大気に戻すとほぼ金星と同じになることがわかっているためである)

地球に最も近い惑星であるため、探査機は多数送り込まれている。
初期の米ソから最近では日本も金星探査機「あかつき」を投入した。

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地球 (III:earth)

地球」は第3惑星で地球型惑星である。
人類が生息する惑星であり、現時点で唯一生命の存在が確認されている天体である。

平均公転半径は149,597,890km(1.0000AU)で、1.0000年(365.256363004日)で1周する。
閏年があるのはこの0.25日のためで、更に端数を調整するために400年に1度閏年がない年がある。
(最近では2000年がそれに当たった)

自転周期は23時間56分4.0905秒。
実際に日常生活で使用する平均太陽日は1日と数ミリ秒になる。
更にこの平均太陽日は変動しており、結果的に1日は86400秒となるため24時間で支障がない。
平均太陽日の誤差は閏秒にて補正されている。

赤道直径は12,756.274km、質量は5.972×1024kgであり、地球型惑星としては最大である。
地球の最大の特徴は大気と水の存在である。

大気組成は窒素(N2)78.08%、酸素(O2)20.95%、アルゴン(Ar)0.93%などである。
また大量の水(1.4×1021kg)が存在し、地表の約71%が海である。
これらの存在が生物の生存が可能となった要因の1つである。

1個の衛星「 (I:moon)」を持ち、リングは存在しない。
(地球の公転軌道近辺にはいくつかの小惑星群があり、一時的に地球重力圏の影響で衛星となるケースがある)
太陽系の衛星の中でも月は5番目に大きい衛星であり、主星の地球に対しても直径(3,474.3km)が約1/6と著しく大きい。
この月の存在も、生命の存在に影響しているといわれている。

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火星 (IV:mars)

火星」は第4惑星で地球型惑星である。
ラテン語名「mars」はローマ神話の軍神である。
和名の火星はその見た目より古代中国の五行説「火」が元になっている。

平均公転半径は227,936,640km(1.52366231AU)、公転周期は1.8808476年である。
楕円軌道のため、地球からの距離は変わる。

自転周期は24.6597時間(1.027日)と地球とほぼ同じ。
ただし、赤道直径は6,794.4kmと地球のほぼ半分、質量は6.4171×1023kgと地球の1/10に過ぎない。
そのため重力は小さく、大気圧も平均で約750Pa程度(地球の約0.75%)とかなり希薄である。
赤道傾斜角は地球に近く、25.19度と季節が存在する。
平均気温は210Kとなっている。
極付近にはドライアイス(CO2)や水の存在も確認されている。
(水蒸気による雲も観測されている)
地表に残る地形などからかつては表面上にも水が存在していたと思われる。

2個の衛星「フォボス (I:phobos)」と「ダイモス (II:deimos)」(ディモス)を持ち、リングは存在しない。
2つとも半径10km程度で、フォボスは数千万年後には火星に落下、もしくは「ロシュ限界」により破壊されると思われる。

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木星 (V:jupiter)

木星」は第5惑星で木星型惑星である。
ラテン語名「iuppiter」はローマ神話の主神であり、ギリシャ神話では最高神「zeus」にあたる。
和名の木星は古代中国の五行説「木」が元になっている。
既出の「火・水・金」を除き、黄色く見えた土星を「土」としたので、最後の「木」を当てはめたという消極的な理由である。

平均公転半径は778,412,010km(5.20336301AU)、公転周期は11.862615年である。
土星と軌道共鳴をしており、2:5の関係となっている。
自転周期は9.92496時間(0.41354日)と高速であるため、惑星自体が赤道で膨らんだ楕円球になっている。
赤道直径は142,985.36km(地球の約11.209倍)、質量は1.8987×1027kg(地球の約318倍)。
太陽系最大の惑星であり、木星以外の惑星を全て合わせた質量の約2〜2.5倍に相当する。

木星型惑星はガス状惑星であり、周囲は分厚い大気で覆われている。
主成分は90%ほどは水素であり、残りはヘリウムなどである。
内部は高温・高圧の環境であり、中心部は金属水素で構成されていると思われる。
その圧力は200GPa(地球気圧の29倍、つまり20億倍)に達し、温度は10,000K。
中心核では4,500GPa、36,000Kに達するものと推定されている。

79個の衛星が確認されており、3つの薄いリングも存在する。
リングはかつては地球から観測できなかったが、探査機「ボイジャー1号」により存在が確認された。
現在では観測機器の性能向上により、「ハッブル宇宙望遠鏡」や地上の大型望遠鏡でも観測されている。

木星の衛星の中でも「ガリレオ衛星」と呼ばれる4大衛星は、中世にその名の通り「ガリレオ・ガリレイ」により発見された。
イオ (I:io)」「エウロパ (II:europa)」「ガニメデ (III:ganymede)」「カリスト (IV:callisto)」である。
これらは比較的小型の望遠鏡でも観測が可能。
特にガニメデ(直径:5,262.4km)は太陽系最大の衛星であり、水星よりもわずかに大きい。
逆にガリレオ衛星以外は大きいものでも300km程度で、大多数は10km以下である。
これらは探査機や大型望遠鏡により発見された。

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土星 (VI:saturn)

土星」は第6惑星で木星型惑星である。
ラテン語名「saturnus」は土と農耕の神である。
和名の土星も古代中国の五行説「土」が元になっている。
黄色く見えた土星を「土」としたものである。

平均公転半径は1,426,725,400km(9.53707032AU)、公転周期は29.447498年である。
自転周期は10.65624時間(0.44401日)。
赤道直径は120,534.28km(地球の約9.449倍)、質量は5.6851×1026kg(地球の約95倍)。
土星の平均密度は0.70g/cm3と小さく、水よりも軽い。
(もし土星をプールに入れることができたら、土星は浮かぶ)

土星の最大の特徴は大きなリングである。
その存在は「ガリレオ・ガリレイ」によって認識はされていた。
しかしガリレオの望遠鏡ではリングを「リング」として認識できず、衛星であると考えられていた
そのため、リングが地球に対して水平面となったときにリングが観測できず、謎となっていた。
リングが発見されたのは、その後望遠鏡の技術が発達した1600年代になってからである。

土星も木星と同様に自転周期が高速であるため、赤道中心にかなりの楕円球となっている。
大気の構成や中心の状態は木星と同様なものと推測されている。

82個の衛星が確認されている。
最大の衛星は「タイタン (VI:titan)」である。
タイタンは太陽系の衛星で2番目に大きい衛星(直径5,151km)であり、唯一分厚い大気を持つ衛星で知られている。
地表面の大気圧は146.7kPa(地球の約1.45倍)であり、主成分は窒素(98.4%)、メタン(1.4%)などである。
液体としてのメタンが地球での水のように循環している。
従ってタイタンの地表ではメタンやエタンの雨が降り、川や湖、海などが存在する。

その他の衛星では「テティス (III:tethys)」「ディオネ (IV:dione)」「レア (V:rhea)」「イアペトゥス (VIII:iapetus)」が1,500km程度と比較的大きな衛星である。
これらは1600年代に「ジョバンニ・カッシーニ」によって発見されている。
(カッシーニはその名を土星のリングの中にある「カッシーニの間隙」として残している)
それ以外は数百kmから10km前後と小さいものが殆どで、探査機や大型望遠鏡により発見された。

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天王星 (VII:uranus)

天王星」は第7惑星で天王星型惑星である。
1781年に「ウィリアム・ハーシェル」によって発見された。
ラテン語名「ouranos」はギリシャ神話の天神であり、和名もそこから命名された。

平均公転半径は2,870,972,200km(19.19126393AU)、公転周期は84.016846年である。
自転周期は-17.23992時間(-0.71833日)で逆行となる。
赤道直径は51,114.5km(地球の約4.007倍)、質量は8.6849×1025kg(地球の約14倍)。
かつては木星型惑星として分類されていたが、中心核が金属水素ではなく岩石や氷で構成されており、新たに「天王星型惑星」として分類された。

天王星の大きな特徴は自転軸の傾きである。
赤道傾斜角が97.86度と、ほぼ横倒しになっており、その理由は太陽系の大きな謎として未解明である。

27個の衛星とリングが確認されている。
そのうち、5個の衛星は直径500〜1,500kmと比較的大きく、「ミランダ (V:miranda)」以外は1851年に「ウィリアム・ラッセル」によって発見された。
「アリエル (I:ariel)」「ウンブリエル (II:umbriel)」「チタニア (III:titania)」「オベロン (IV:oberon)」である。
リングは薄いため、正式に観測されたのは20世紀に入ってからである。

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海王星 (VIII:neptune)

海王星」は第8惑星で天王星型惑星である。
1846年に「ユルバン・ルヴェリエ」らによって発見された。
きっかけは天王星の公転軌道の乱れからで、純粋な観測による発見ではなく、理論による推測に基づいた観測による発見である。
ラテン語名「neptunus」はローマ神話の海神であり、和名もそこから命名された。

平均公転半径は4,498,252,900km(30.06896348AU)、公転周期は164.79132年である。
自転周期は16.11時間(0.67125日)。
赤道直径は49,532.72km(地球の約3.883倍)、質量は1.0244×1026kg(地球の約17倍)。
大気上層部の気温は現在観測可能な太陽系の中で最も低温(46.6K)とされている。

海王星の特徴は軌道共鳴である。
外側に位置する「エッジワース・カイパーベルト」天体に対して大きな影響を与えている。

14個の衛星とリングが確認されている。
特に「トリトン (I:triton)」(直径2706.8km)は太陽系で7番目に大きい衛星であり、海王星発見直後に発見されている。
トリトンは海王星の自転に対して逆行しているため、海王星が準惑星であったトリトンを軌道に捉えたものと推定されている。
そのため、海王星に対して落下しつつあり、数十億年後にはロシュ限界を超えるものと思われる。
その他の衛星は500km以下であり、「ネレイド (II:nereid)」以外は探査機により発見されている。

リングは天王星よりははっきりしているが、20世紀に入ってからの発見である。

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第9惑星 (IX:planet9)

「第9惑星」は現時点では未発見。
ただ、後述の一部のエッジワース・カイパーベルト天体が示す公転軌道の謎を説明するのに推測されているものである。
かつては「冥王星」がその説明の基になると思われたが、質量が小さすぎたために条件を満たさないことが分かった。
そのため、現在もその存在を確かめるべく研究・観測が進められている。

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準惑星 (dwarf planet)

「準惑星」とは「太陽の周囲を公転する惑星以外の天体のうち、それ自身の重力によって球形になれるだけの質量を有するもの」を指す。
「惑星」との違いは「自分の軌道近くから他の天体を排除している」かどうかである。

「冥王星」が発見された当初は「水星」より少し小さい程度の天体であり、「小惑星」とは異なるものと考えられていた。
しかし、冥王星の衛星「カロン」が発見されたとき、冥王星の質量が測定された。
それにより、冥王星は月の1/5程度の質量しかないと判明した。

更に2003年に発見された「エリス」の存在により惑星の定義が定められることとなり、冥王星もエリスも準惑星とされることになった。
(このことは冥王星を発見したアメリカが激オコ状態になり、未だにNASAは「ケレス」を小惑星と呼んでいる)

準惑星は一旦小惑星としての番号を与えられた後に、準惑星として承認される形となるため、冥王星にも後付けで番号が与えられた。

ケレス (1:ceres)

ケレス」(セレス)は準惑星であり、メインベルト(小惑星帯)に存在する。
ラテン語名「ceres」はローマ神話の農業の女神である。
従来は小惑星とされていた。
(そのため、小惑星番号「1」が与えられている)

平均公転半径は413,700,000km(2.766AU)、公転周期は4.599年である。
自転周期は9.0744時間(0.3781日)。
赤道直径は約942km、質量は約9.5×1020kg。
小惑星帯の中では最大の天体であり、小惑星帯全体の質量の約1/3を占める。

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冥王星 (134340:pluto)

冥王星」は準惑星、冥王星型天体である。
1930年に「クライド・トンボー」によって発見された。
ラテン語名「pluto」はローマ神話の冥界神であり、和名もそこからとっている。
2006年までは「惑星」として第9惑星とされていた。

平均公転半径は5,906,380,000km(39.482AU)、公転周期は247.92065年である。
通常の惑星とは違い、公転軌道が黄道面に対して傾いており、かつ楕円軌道を描いている。
そのため、近日点付近では海王星よりも太陽に近いことになる。
(なので、惑星の覚え方「水金地火木土天海冥」が「水金地火木土天冥海」だった時期[1979〜1999]がある)

自転周期は-6.38718日(逆行)である。
赤道直径は約2,296.14km、質量は約1.3×1022kg。
極薄い大気(1.0Pa)が存在する。
また、探査機「ニュー・ホライズンズ」の観測により、凍ったメタンや窒素が確認されている。
氷としての水も存在する可能性も指摘されている。

5個の衛星を持っており、最大の衛星は「カロン (I:charon)」である。
カロンは直径約1,208kmと主星の冥王星に対して約半分という大きさであり、そのため「冥王星=カロン」系は「2重星系」であるという解釈もある。

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ハウメア (136108:haumea)

ハウメア」は準惑星、冥王星型天体である。
英語名「haumea」はハワイの豊穣の女神である。

平均公転半径は6,484,000,000km(43.335AU)、公転周期は約285.4年である。
自転周期は4.008時間(0.167日)である。
赤道直径は約1,150km、質量は約4.2(±0.1)×1021kg。
表面に氷があるものと推定されている。

自転周期が高速であるため、球状ではなく極端な楕円球となっている。
2個の衛星(「ヒイアカ (I:hi`iaka)」「ナマカ (II:namaka)」)とリングが確認されている。

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マケマケ (136472:makemake)

マケマケ」は準惑星、冥王星型天体である。
英語名「makemake」はイースター島の創造神である。

平均公転半径は6,850,000,000km(45.792AU)、公転周期は約309.9年である。
自転周期は現時点で不明。
赤道直径は約1,500(±400)km、質量は約4.0×1021kg。

1個の衛星が確認されている。

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エリス (136199:eris)

エリス」は準惑星、冥王星型天体である。
英語名「eris」はギリシャ神話の不和と争いの神から命名された。
(準惑星騒動の原因でもあるという皮肉でもあるらしい)

平均公転半径は10,210,000,000km(67.668AU)、公転周期は約557年である。
自転周期は現時点で不明。
赤道直径は約2,400km、質量は約1.7×1022kg。
表面にはメタンの氷があるものと推定されている。

1個の衛星「ディスノミア (I:dysnomia)」が確認されている。

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その他天体

ハレー彗星 (1P/halley)

75.32年の周期で地球に接近することで知られる周期彗星。
前回は1986年であった。
遠日点は約35AUと冥王星軌道程に達する。

このように200年以内に回帰することが確認されている彗星は短周期彗星と呼ばれる。
逆にこれ以上のものは長周期彗星と呼ばれるが軌道計算が難しく、非周期衛星との区別は特にされていない。

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エッジワース・カイパーベルト (Edgeworth-Kuiper belt)

海王星軌道から20AU(太陽から50AU)ほどに位置する小天体が密集する空間の総称である。
準惑星のうち、「冥王星」「ハウメア」「マケマケ」が位置する空間でもある。
直径100km超の小天体は10万を超えるものと推定されている。

海王星による影響で比較的安定した空間とされている。

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2018 AG37

現在観測されている最も遠い位置にある太陽系の天体である。
(彗星の中にはもっと遠いものもある[キルヒ彗星:257AU])
あくまでも現時点での最遠であり、遠日点が遠い天体はたくさんある。

遠日点は約144.94(±114.06)AU、近日点は約27.059(±5.241)AUと推定されている。
公転周期は291,303(±343,860)日、797.55(±941.4)年と、かなり不確実である。
このようにデータが不確実なのは、観測された期間が短い(2018年発見)ためである。
また、過去に海王星に接近した際にはじかれてしまったため、更に不確実さを増したものと思われる。

直径は400km程と小さく、見かけの等級も25.3とかなり暗い。

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セドナ (90377:sedna)

直径が約1000kmと比較的大きいため、将来「準惑星」となる可能性がある太陽系外縁天体。
英語名「sedna」はイヌイットの海の女神である。

軌道長半径が484.4AU、遠日点が892.6AUとかなり遠い。
近日点も76.276AUと冥王星よりも遠い。
そのため、公転周期は12,691年というとんでもない数値である。

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2014 FE72

直径約270kmと推定されている太陽系外縁天体。
遠日点2975(±1067)AU、推定公転周期58400±31400年と桁違いに遠い。
あまりに遠く極端な楕円軌道であるため、正確な軌道は計算できていない。
更に遠い天体「2014 MB7」が発見されているが、直径がかなり小さく彗星ではないかと思われる。
未確認であるため、あくまでも現時点では2番目に遠日点が遠いということになる。

ちなみに最も太陽に近い軌道を周回しているとされている小惑星が「2021 PH27」である。
(近日点が0.1341AUと水星[近日点0.313AU]の更に内側を回っているが、遠日点は金星軌道の外側となる楕円軌道であるため、公転周期は水星の88日より長い114.5日である)

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オールト雲 (Oort cloud)

エッジワース・カイパーベルトから更に遠方の空間に存在する小天体やチリ、ガスなどが存在する空間。
その存在は未だに理論上のものであり、実際には観測されていない。
予想では10,000AUから100,000AU(≒1.58光年)くらいまで広がっていると推測されている。

長周期彗星の元となっているのではないかと思われている。

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主系列星 (main sequence star)
恒星の温度と明るさを図示した「HR(ヘルツシュプルング・ラッセル : Hertzsprung-Russell)図」において、明るく高温〜暗く低温で示される一連の恒星群を指す。
通常の恒星はここに位置し、恒星の一生においてその星の質量において晩年巨星になるか矮星で終わるかなどが決まり、主系列星とは別の位置に属するようになる。
明るく高温な星は青く、暗く低温の星は赤くなる。

白色矮星 (white dwarf)
恒星の一生の最終段階の1つと考えられている恒星。
炭素や酸素のコアで構成された高密度の天体である。
(質量は太陽程度であっても、体積は地球程度である)
白色矮星の内部では核融合反応は起きず、熱の放射により自らが発光する。
従って、徐々に白色矮星は冷えていき、最終的には黒色矮星となる。
黒色矮星は現在の宇宙ではまだ存在していないものと思われる。
(それはそこまで冷えるには1015年、つまり1000兆年はかかると推定されているからである)

ロシュ限界 (roche limit)
天体が主星に破壊されずに近づける限界距離のこと。
この距離より内側に入ると主星の潮汐力により、天体は破壊される。
土星などのリングはこれにより生じた天体の成れの果てとも言われている。
ただし、潮汐力を上回る力がある場合はこの限りではない。
実際、木星の衛星「メティス (XVI:metis)」「アドラステア (XV:adrastea)」はロシュ限界より近いところを公転しているが、半径が小さいため破壊されずに存在している。

小惑星帯 (asteroid belt)
他のエリアにも小惑星帯があることから区別するために、メインベルト (main belt)ともいう。
火星と木星の間に位置し本来は第5惑星が形成されるはずだったが、木星の重力の影響で十分大きい天体が成長しなかったとされている。
現在発見されているものでも数十万に及ぶ小惑星が存在し、未発見なものも含めると数百万を超えるものと思われる。
現在「パラス (2:pallas)」が小惑星帯では一番大きな小惑星(約500km)である。
(ただし、今後の観測次第では準惑星に分類される可能性もある)