2025年大学《行星科学》专业题库- 太阳系外行星的大气成分

2025年大学《行星科学》专业题库——太阳系外行星的大气成分考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.利用系外行星经过其宿主恒星时，恒星光变曲线的深度和形状来探测和分析其大气成分的主要方法是______法，其核心原理是分析恒星光谱中______线的深度变化。2.与类地行星相比，热木星大气中通常富含______和______等重元素，这与其靠近恒星的高温环境及可能存在的宜居带内迁移历史有关。3.除了吸收光谱，凌日法还可以通过探测行星大气______的变化来获取信息，这种方法对水蒸气等主要成分的探测较为敏感。4.直接成像法直接观测系外行星自身发出的光芒或反射的宿主恒星光芒，并通过分析其______来推知大气成分，但主要适用于距离我们非常遥远或质量极大的系外行星。5.在已探测到大气成分的系外行星中，GJ1214b因其光谱特征显示其大气中可能存在高浓度的______，使其成为研究系外行星大气云层和可能的“超级地球”大气的重要目标。二、选择题（每题3分，共30分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）6.以下哪种探测技术主要依赖于分析行星大气对可见光或近红外光的自发辐射？A.凌日法B.热木星法C.直接成像法D.微引力透镜法7.系外行星大气成分分析中，利用恒星光谱中的吸收线进行“空腔法”探测时，主要关注的是：A.行星反射光中特定波段的强度B.行星大气自身发射的特定波段光强C.恒星光谱中对应大气吸收特征的“空洞”D.行星大气对整个光谱的散射程度8.造成热木星与类日行星大气成分差异巨大的主要原因是：A.它们形成时所处的原始星云成分不同B.它们围绕的宿主恒星类型不同C.它们与宿主恒星的距离不同D.它们的质量不同9.以下哪种气体分子在红外波段具有非常强的吸收特征，是探测系外行星大气水蒸气的重要标志？A.氮气(N₂)B.氧气(O₂)C.二氧化碳(CO₂)D.水蒸气(H₂O)10.凌日法探测系外行星大气时，如果观测到的是“深transit”（即光变曲线下降很快），这可能意味着：A.行星大气非常稀薄B.行星与恒星的距离较远C.行星大气中含有大量高吸收系数的成分D.行星体积相对于其轨道半径来说较小11.红外光谱比可见光光谱在探测系外行星大气成分方面更具优势，主要是因为：A.红外光更容易穿透星际介质B.大多数大气分子的振动和转动能级跃迁发生在红外波段C.红外光波长更长，分辨率更高D.红外望远镜成本更低12.以下哪项技术是当前直接成像法探测系外行星大气成分面临的主要挑战之一？A.行星本身发出的光太亮B.恒星发出的光太亮，淹没行星信号C.行星大气成分过于简单D.无法分辨行星和恒星的角直径13.当我们说探测到某系外行星大气存在“分子特征”时，通常指的是探测到了：A.氦气(He)或氖气(Ne)的吸收线B.水蒸气(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)等复杂分子的吸收线C.恒星大气中的吸收线D.行星大气对可见光的完全吸收14.在系外行星大气成分的研究中，大气模型的主要作用是：A.直接测量大气成分的精确含量B.解释观测到的光谱数据，模拟大气如何与光线相互作用C.预测未观测行星可能拥有的大气成分D.控制望远镜的观测时间分配15.以下关于系外行星大气成分研究的叙述，哪项是错误的？A.目前的观测技术已经可以详细揭示所有系外行星的大气成分B.不同类型的系外行星（如热木星、冷巨行星）大气成分存在显著差异C.探测系外行星大气成分是寻找地外生命迹象的重要途径之一D.大气湍流和仪器噪声是影响观测精度的主要因素三、简答题（每题5分，共20分）16.简述凌日法光谱分析中，“空腔法”和“线对比度法”的基本原理的主要区别。17.为什么说直接成像法更适合探测和研究质量极大的热木星类行星的大气，而不太适合类地行星？18.列举至少三种在系外行星大气成分探测中需要考虑的主要系统效应，并简述其影响。19.解释什么是“光谱线拟合”？它在系外行星大气成分分析中扮演什么角色？四、论述题（每题10分，共30分）20.详细论述影响凌日法探测系外行星大气成分灵敏度的关键因素有哪些，并分析如何克服这些限制。21.以具体的天体为例（如HD209458b,GJ1214b,WASP-39b等），比较不同类型系外行星（如热木星、超级地球）大气成分的主要特征及其可能的形成原因。22.结合当前的技术水平和面临的主要挑战，畅想未来（如JWST之后）系外行星大气成分探测技术可能的发展方向和目标。试卷答案----------------------------------------------------一、填空题1.凌日；发射2.水蒸气；二氧化碳3.反射光相位变化4.光谱5.水蒸气二、选择题6.C7.C8.C9.D10.C11.B12.B13.B14.B15.A三、简答题16.答：“空腔法”主要关注恒星光谱中对应行星大气吸收线的“空洞”深度，直接反映大气对特定波段的吸收程度。“线对比度法”则比较行星大气发射/反射光谱线与恒星光谱对应线的强度比值，能更直接地显示大气成分的相对丰度。两者都是通过分析光谱线特征来反演大气成分，但侧重点和数据处理方式不同。17.答：直接成像法通过直接接收行星自身的热辐射或反射光，对观测精度和分辨率要求极高。热木星距离较近，行星信号相对较强，且大气活跃，更容易达到成像和光谱分辨的要求。类地行星距离遥远，信号微弱，且可能被其母恒星光芒淹没，加上大气平静，使得直接探测其大气成分极为困难。18.答：主要系统效应包括：1）行星圆盘效应：行星并非理想点源，其自身发出的光或反射光分布不均会影响测量。“空腔法”尤其受此影响。2）宿主恒星大气影响：恒星自身大气也会产生发射线和吸收线，可能被误认为是行星大气信号。3）仪器噪声和系统稳定性：探测器噪声、光谱仪响应不稳定性等会直接叠加在信号上，降低信噪比和测量精度。19.答：光谱线拟合是指利用已知化学成分和物理条件下的大气模型，计算各种大气成分吸收线（或发射线）的理论光谱形态（强度、宽度、位置），并将这些理论光谱与观测到的行星光谱进行最佳匹配（如最小二乘法拟合）的过程。其作用是通过最佳拟合，反演得到大气成分的相对丰度、大气状态参数（如温度、压力、云层高度等）以及评估观测数据的可靠性。四、论述题20.答：影响凌日法探测灵敏度的关键因素主要有：1）行星与恒星的相对大小（轨道半径比）：行星直径相对于恒星直径越大，transit深度越深，信号越强，越容易探测到大气吸收。2）行星大气与行星半径的比例：大气层越厚相对于行星半径，吸收信号越明显。3）大气成分的吸收截面：吸收系数大的成分（如水蒸气、二氧化碳）更容易被探测到。4）大气温度和压力结构：影响吸收线的强度和形状。5）观测波段和光谱分辨率：需要在成分有强吸收且噪声较低的红外波段进行高分辨率观测。6）恒星自身的活动性：恒星spots和活动会引入噪声和系统效应，降低信噪比。克服限制的方法包括：选择具有较大行星的系外行星系统；在行星大气对宿主恒星光谱有显著吸收的“空腔”区域进行观测；使用高分辨率光谱仪降低仪器噪声；结合多波段观测和大气模型分析进行校准和修正；优先选择低活动性的宿主恒星。21.答：热木星（如HD209458b）：典型特征是大气富含水蒸气、二氧化碳等重元素，大气层深厚，呈现“逆向演化”特征（与类似年龄的太阳系行星相比）。主要形成原因被认为是其靠近恒星，高温导致大气中的重元素不易被Jeans驱动丢失，并通过持续从内侧吸积物质不断补充。超级地球（如GJ1214b）：部分观测（如GJ1214b）显示其大气可能富含水蒸气，但成分不确定性较大，也可能含有云层（如氨冰云）。其大气成分可能与形成环境、轨道迁移历史以及是否存在板块构造和活跃水循环有关。冷巨行星（如GJ3470b）：可能含有甲烷、氨等较轻的成分，大气成分可能与形成时的原始星云化学成分更接近。不同类型行星大气成分差异源于其不同的形成位置、与恒星的距离、行星质量、轨道演化历史以及可能存在的内部热源和大气逃逸机制。22.答：未来系外行星大气成分探测技术可能的发展方向和目标包括：1）更高空间和光谱分辨率：利用更先进的望远镜（如未来的空间望远镜、大型地面望远镜配合自适应光学等技术），实现更高的行星成像和光谱分辨率，以区分行星大气和恒星光晕，探测更精细的光谱结构。2）更宽的观测波段覆盖：在更宽的红外和微波波段进行观测，以探测更多种类的分子（如有机分子）和更宽谱段的水蒸气等主要成分，获取更全面的大气信息。3）提高信噪比和探测灵敏度：通过更长的积分时间、更优的观测策略、更先进的信号处理技术，降低噪声，提高对稀薄大气成分或小型行星大气信号的探测能力。4）发展新型探测技术：探索如星光闪烁法（