2025年大学《行星科学》专业题库- 太阳系外行星大气尾迹观测

2025年大学《行星科学》专业题库——太阳系外行星大气尾迹观测考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.在系外行星凌日过程中，导致恒星光变曲线出现特征下降的主要原因是？A.行星自身发光B.行星遮挡了部分恒星大气C.行星大气与恒星大气发生碰撞D.恒星自身发生不规则的脉动2.以下哪种观测方法最适合直接探测系外类地行星大气中的水蒸气吸收线？A.视向速度法B.微型凌日法（Microlensing）C.自转法（RotationMethod）D.凌日法3.“大气尾迹”这一术语在系外行星研究中，通常指在哪种观测几何构型下，可以观测到行星大气相对于其星盘边缘的延伸或扰动？A.行星掩过恒星（Eclipse）B.行星与其宿主星视向速度同步变化时C.行星凌日时，大气延伸出星盘视圆面D.行星通过恒星盘面中心时，其引力影响4.与凌日法相比，掩星法观测大气尾迹的主要优势在于？A.可以获得更高的光谱分辨率B.观测到的行星信号通常更强C.对望远镜的视场要求更低D.可以观测到更多不同类型的系外行星5.导致系外行星大气尾迹观测信号极其微弱的主要因素之一是？A.行星大气层非常稀薄B.行星与恒星之间的距离极其遥远C.恒星自身光度极高D.行星自转速度较慢6.在使用凌日法进行系外行星大气光谱探测时，分析光变曲线的哪些参数可以帮助推断大气成分？A.光变曲线的最大深度B.光变曲线的上升和下降时间C.光谱中的吸收线深度和特征D.光变曲线的周期7.JWST等空间望远镜相比地面望远镜，在观测系外行星大气尾迹方面具有的主要优势是？A.更高的空间分辨率B.更大的观测视场C.能够穿透更多星际尘埃D.在近红外波段具有极高的光谱分辨率和信噪比8.在视向速度法中，探测到与行星轨道周期相关的“尾巴”信号（TailSignal）主要反映了？A.行星大气层的精细结构B.行星大气与星际介质的中性相互作用C.行星大气成分的垂直分布D.行星公转引起的大气物质相对恒星运动的平均效应9.以下哪项技术或现象是限制直接成像法观测系外行星大气尾迹的主要障碍？A.高分辨率成像技术B.恒星耀斑活动C.系外行星与恒星的角分辨率低D.行星大气具有强烈的反照率10.对比度比值（ContrastRatio）是衡量系外行星观测难度的关键参数，其定义为？A.行星亮度与恒星亮度的比值B.恒星亮度与行星亮度的比值C.行星大气信号与仪器噪声的比值D.行星有效温度与恒星有效温度的比值二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.在系外行星凌日期间，通过分析恒星光谱中______线的深度变化，可以推断行星大气的成分。2.观测系外行星大气尾迹时，需要克服的主要挑战包括______、______以及______。3.视向速度法通过测量恒星光谱的______来探测系外行星，而大气尾迹信号通常表现为______。4.直接成像法观测大气尾迹主要关注行星大气发出的______或______。5.凌日法观测中，行星大气尾迹的形状通常呈现______状，这反映了行星自转和大气动力学特性。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述系外行星大气尾迹在凌日几何构型下的形成机制。2.比较凌日法与视向速度法在探测系外行星大气方面各自的主要优势和局限性。3.解释什么是“对比度比值”，并说明其对大气尾迹观测的重要性。4.简述JWST在系外行星大气尾迹观测方面相较于哈勃空间望远镜的主要技术优势。四、论述题（每题10分，共30分）1.详细论述观测系外行星大气尾迹面临的主要技术挑战，并提出相应的应对策略或研究方向。2.结合具体实例（如Tess、Kepler、JWST等），论述系外行星大气尾迹观测在过去十年中的主要进展及其科学意义。3.探讨系外行星大气尾迹观测对于理解行星形成、演化和宜居性条件的潜在贡献，并展望未来可能的空间探测任务（如AstronomicalTerrestrialPlanetFinder,ATFP）的目标和意义。试卷答案一、选择题1.D2.D3.C4.B5.B6.C7.D8.D9.C10.A二、填空题1.特征吸收2.高对比度、强信噪比、仪器噪声3.多普勒频移、周期性蓝移/红移信号4.发射线、散射光5.扁平三、简答题1.解析思路：阐述凌日时，行星穿过恒星盘面，其自身不发光，但行星大气层延伸至其星盘边缘之外。当行星大气与恒星光线相互作用时，如果大气成分对特定波长的光有吸收或散射，这部分光线在穿过大气层时会被调制，导致从侧面观测到的恒星光谱中对应波长的强度发生变化，形成类似“尾巴”的信号。2.解析思路：凌日法优势：信号直接来自大气与恒星的相互作用，信噪比较高，可直接获得高光谱分辨率光谱，可研究大气成分、结构、动力学。局限性：仅对特定类型的系外行星（凌日行星）有效，观测机会有限且短暂，观测角度受限。视向速度法优势：理论上可探测所有行星，不受距离限制，可测量行星质量、轨道参数。局限性：对大气探测灵敏度低，难以直接获取大气成分信息，易受恒星活动干扰，对仪器要求极高，难以分辨大气信号。3.解析思路：对比度比值定义为行星亮度与恒星亮度的比值（VPlanet/VStar）。解释其重要性：系外行星及其大气极其暗弱，与明亮背景的恒星相比，对比度极低。观测大气尾迹需要探测这微弱的信号，高对比度比值意味着信号更强，更容易被探测到。它是衡量观测任务可行性和难度的一个核心指标。4.解析思路：JWST优势：采用分段式可展开主镜设计，实现更大的望远镜孔径；配备先进的红外探测器，工作在更红的外红外波段，大气吸收更少；具有极高的光谱分辨率（通过光谱仪如COS、IRIS、NIRSpec），能够更好地区分大气吸收线；信噪比极高，尤其对红外波段，利于探测微弱大气信号。对比哈勃（工作在可见光和近紫外，探测器噪声相对较高，分辨率受限）。四、论述题1.解析思路：挑战与对策。挑战：1）高对比度要求：行星亮度远低于恒星，信号极其微弱。对策：使用空间望远镜（避开大气干扰）、高效率探测器、优化仪器设计（如coronagraphs）。2）强信噪比需求：微弱信号易被仪器噪声淹没。对策：长时间曝光、多天积累、高分辨率光谱技术（减少背景光）。3）仪器噪声与系统误差：探测器噪声、散射光、恒星闪烁等。对策：精密仪器校准、差分观测（同时观测目标星和邻近背景星）、优化数据处理算法。4）大气成分和结构探测：信号微弱，难以同时获得丰富信息。对策：利用特定观测几何（如凌日、掩星）、选择对特定成分敏感的波段、结合多种仪器和理论模型分析。2.解析思路：分阶段论述。早期（Kepler时代）：主要发现大气“空壳”（无显著吸收线，符合理论模型）、发现大气层可能存在。中期（Tess时代）：扩大搜索范围，发现更多候选目标，提高观测效率，确认部分大气特征（如水蒸气）。近期（JWST时代）：实现探测突破，首次明确探测到系外行星大气中水蒸气、二氧化碳、甲烷等关键成分，测量大气温度结构，获得前所未有的高分辨率光谱，开始研究大气云层和动力学。科学意义：验证了行星大气普遍存在，开始揭示大气成分多样性，为研究行星形成演化、宜居性条件提供了直接证据，推动了理论模型的发展。3.解析思路：贡献与展望。贡献：1）验证理论：观测结果验证了行星形成和大气演化的理论模型。2）寻找宜居性：通过探测大气成分（特别是水蒸气、二氧化碳、甲烷），结合温度测量，评估行星是否可能具备宜居条件或曾经具备。3）理解多样性：揭示系外行星大气成分的巨大多样性，反映其形成和演化