2025年大学《天文学》专业题库- 行星形成与行星系统演化

2025年大学《天文学》专业题库——行星形成与行星系统演化考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.根据目前广泛接受的星云假说，太阳系起源于一个巨大的、旋转的原始星云盘。以下哪项不是原始星云盘的主要成分？A.氢和氦B.重元素（métalliqueelements）C.尘埃颗粒D.宇宙射线2.在行星形成的早期阶段，由尘埃颗粒通过碰撞和吸积增长形成的、大小介于尘埃和行星胚胎之间的天体被称为？A.行星B.行星系盘C.星子（planetesimal）D.星云3.气态巨行星（如木星）主要通过以下哪种机制形成？A.直接捕获星际气体B.星子通过快速碰撞聚合形成大型核心后捕获大量气体C.原始星云盘中的气体直接凝结而成D.通过潮汐力从星云盘中剥离物质4.行星形成过程中，尘埃颗粒通过相互碰撞粘结在一起，逐渐增长形成更大颗粒的过程被称为？A.蒸发B.吸积C.碰撞聚集D.星云坍缩5.导致行星轨道半长轴、偏心率或倾角发生改变的主要物理机制之一是？A.恒星风B.角动量守恒C.潮汐迁移D.自转6.位于太阳系柯伊伯带外侧，由大量冰质和岩石小天体组成的区域，被认为是太阳系形成残留物的重要场所的是？A.奥尔特云B.柯伊伯带C.短周期彗星轨道区域D.主带小行星7.行星系统盘中的气体和尘埃通常会经历一个从不透明到透明的演化阶段，这主要是由什么过程驱动的？A.尘埃颗粒的增长B.恒星紫外辐射对尘埃的蒸发C.行星胚胎的引力清空D.星云盘的旋转速度变化8.当一个正在形成中的气态巨行星穿过其原始星云盘时，由于引力作用可能导致星云盘物质被扫除，形成一个大环状结构。这种现象被称为？A.行星环形成B.星子碎裂C.恒星风剥离D.行星诱导不稳定性（planet-inducedinstability）9.与太阳系内行星相比，许多系外行星表现出更大的轨道偏心率。这可能暗示了它们形成后经历了不同的？A.早期恒星活动水平B.行星系统形成环境C.轨道迁移过程D.大气层演化历史10.通过观测恒星光谱的多普勒变化来探测其伴星的存在及其轨道参数的方法被称为？A.凌日法B.直接成像C.径向速度法（Dopplerspectroscopy）D.脉冲星计时法二、名词解释（每小题3分，共15分。请给出简洁、准确的专业定义。）1.行星分异（Planetarydifferentiation）2.同位素分馏（Isotopicfractionation）3.行星系统盘（Protoplanetarydisk）4.潮汐力（Tidalforce）5.行星轨道共振（Orbitalresonance）三、简答题（每小题5分，共20分。请简明扼要地回答下列问题。）1.简述从尘埃颗粒到形成行星胚胎的主要增长机制。2.比较吸积（accretion）和碰撞（collision）在行星形成过程中的作用。3.解释什么是潮汐力，并说明它如何在行星形成和演化中发挥作用。4.列举至少三种不同的方法用于观测和研究行星形成区域。四、论述题（每小题10分，共30分。请结合所学知识，进行深入分析和阐述。）1.详细阐述星云假说的主要内容，并说明现代观测证据如何支持该理论的关键预言。2.探讨行星轨道迁移（planetmigration）的几种主要机制，并分析每种机制可能对行星系统的结构和稳定性产生的影响。3.结合观测实例，论述系外行星系统的发现如何改变了我们对行星形成和太阳系形成历史的认识。---试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.C5.C6.B7.B8.D9.C10.C二、名词解释1.行星分异：指在行星形成或早期演化过程中，由于重力作用导致行星内部物质按照密度不同发生分层，形成地壳、地幔、地核等结构的过程。2.同位素分馏：指在物理或化学过程（如气体凝结、蒸发）中，不同同位素之间由于质量差异导致其相对丰度发生分离的现象，可用于示踪行星形成和演化的过程。3.行星系统盘：围绕年轻恒星旋转的、由气体和尘埃组成的扁平盘状结构，是行星形成的主要场所。4.潮汐力：天体由于距离近，受到另一个天体引力作用在不同部位产生的差异，导致天体发生形变或产生轨道运动变化的力。5.行星轨道共振：指两个或多个行星在轨道运动中，其轨道周期存在简单的整数比关系，导致它们在轨道上的相对位置周期性重复出现的状态。三、简答题1.从尘埃颗粒到形成行星胚胎的主要增长机制包括：首先是尘埃颗粒通过范德华力和静电吸引力等弱相互作用相互粘结形成较大的“微星”（micrometeorites），然后微星通过相互碰撞、粘结的方式不断增长，当达到足够大（公里级别）时，其引力变得显著，能够捕获周围更多的尘埃和微星，加速增长，最终形成行星胚胎。2.吸积主要指通过引力捕获周围微小的尘埃颗粒或气体分子，使自身质量缓慢增加的过程，是从小尺度到宏观天体（如星子、行星）增长的基础。碰撞则是天体之间发生的物理冲击，可以是建设性的（粘结增大）或破坏性的。在行星形成早期，频繁的碰撞是星子增长和破碎的主要方式，也是形成行星环或触发剧烈火山活动的原因。3.潮汐力是中心天体（如行星）对其周围物质（如行星系统盘、卫星、另一行星）引力在距离上的差异所产生的作用力。在行星形成中，行星胚胎对星云盘物质的潮汐力可以局部清空物质，形成间隙或诱导盘的迁移。在行星演化中，潮汐力是改变行星轨道（如同步自转）、导致卫星形成潮汐共振或轨道迁移的关键因素。4.观测和研究行星形成区域的方法包括：利用光学望远镜观测可见光波段年轻恒星周围的尘埃盘；利用红外望远镜探测尘埃发出的热辐射；利用射电望远镜观测气体分子（如水冰、CO）发出的射电谱线；通过高分辨率成像技术直接拍摄原行星盘；通过分析年轻恒星光谱的多普勒变化探测伴星（可能正在形成中的行星）；通过对太阳系内天体（如小行星、彗星）成分进行分析，反推太阳系形成的原始物质信息。四、论述题1.星云假说认为，太阳系起源于一个巨大的、旋转的原始星云盘，在自身引力作用下坍缩，中心形成太阳，盘内物质在角动量守恒作用下旋转加速并扁平化，尘埃颗粒通过吸积增长形成星子，星子进一步碰撞聚合形成行星胚胎和行星。现代观测证据支持该理论的关键预言包括：发现了大量原行星盘，其结构和成分与理论模型预测相似；观测到各种处于不同演化阶段的年轻恒星和行星系统，展示了从原行星盘到类太阳系行星系统的演化过程；对太阳系内天体（如地外行星、小行星、彗星）的同位素组成分析，为太阳系的形成和早期演化提供了定年证据和线索；系外行星系统的发现，为检验和扩展星云假说提供了更广阔的样本。2.行星轨道迁移的主要机制包括：潮汐迁移，行星与其围绕旋转的星云盘之间存在角动量交换，导致行星轨道发生变化（内外迁移）；轨道共振，内行星与正在形成或迁移的外行星发生轨道共振，导致能量交换和轨道改变；引力散射，行星与其他大质量天体（如另一个行星、星子）发生近距离引力相互作用，导致轨道剧烈改变。这些机制可能对行星系统的结构和稳定性产生显著影响，例如，潮汐迁移可以解释系外行星为何位于类地行星区附近，也可以导致行星轨道偏心率或倾角变化；共振可以稳定或destabilize行星轨道；引力散射可能导致大质量行星被抛出系统，或导致行星轨道半长轴发生巨大变化。3.系外行星系统的发现极大地改变了我们对行星形成和太阳系形成历史的认识。首先，它揭示了太阳系并非独一无二，行星系统是宇宙中普遍存在的天体结构，这促使科学家重新评估太阳系形成理论的普适性。其次，许多系外行星系统展现出与太阳系显著不同的特征，如行星质量远超类地行星、轨道偏心率大、行星间距紧密等，这表明存在多