2025年大学《行星科学》专业题库- 行星形成理论与实证验证

2025年大学《行星科学》专业题库——行星形成理论与实证验证考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.根据星云假说，太阳系形成的起点是：A.一颗超新星爆发的冲击波B.一颗中年恒星的磁场扰动C.一片弥漫在空间中的分子云云块D.宇宙大爆炸的原始物质云2.在太阳系形成过程中，起到“清洁工”作用，将盘中物质逐渐清除，使中心区域物质密度增高的现象是：A.星子碰撞吸积B.行星盘不稳定性C.恒星风剥离D.共同旋转进动3.与类地行星（岩石行星）形成主要相关的物质是：A.水冰、氨冰和甲烷冰B.硅酸盐和金属C.氢和氦D.一氧化碳和二氧化碳4.导致类地行星与气态巨行星形成区域出现差异的关键因素是：A.恒星年龄B.星云的金属丰度C.星云中的冰线位置D.行星胚胎的初始大小5.核心accretion模型主要描述的是：A.气态巨行星从行星盘中心快速增长的过程B.岩石行星胚胎通过吸积星子形成的过程C.行星盘通过引力不稳定性直接形成巨行星的过程D.行星与卫星系统的角动量交换过程6.通过分析某类陨石中的稀有气体同位素（如氩-40）的组成，可以推断太阳系早期：A.行星的形成时间B.行星盘的化学组成C.行星核幔分异的历史D.系外行星的存在7.“凌日法”探测系外行星的主要原理是：A.直接观测到行星反射的星光B.观测到宿主恒星光度的周期性下降C.测量到宿主恒星径向速度的周期性扰动D.观测到行星发出的射电信号8.观测到年轻恒星周围存在尘埃和气体盘，是支持行星形成理论的：A.主要观测证据B.理论推论C.间接推断D.唯一证据9.行星形成过程中，星子通过引力相互碰撞和吸积，逐渐长大的过程称为：A.恒星形成B.行星盘演化C.星子成核D.行星成长10.对比不同类型系外行星（如超级地球、气态巨行星）的丰度，有助于约束：A.行星形成的具体理论B.宿主恒星的性质C.行星宜居带的位置D.星云的初始组成二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线内）1.行星形成主要发生在原恒星周围的______中。2.根据质量大小，类地行星通常指半径小于______地球的行星。3.气态巨行星主要由______和氦组成，通常形成于冰线以外的区域。4.行星形成过程中，通过高速碰撞将角动量传递给行星盘，导致盘面物质外流的现象称为______。5.通过分析系外行星的光谱，可以探测其大气层的______成分。6.太阳系中最大的类地行星是______，其表面有明显的活动地质现象。7.“引力不稳定性”理论认为，在密度足够高的行星盘中，盘本身会因引力而碎裂形成______。8.冲击实验是研究物质______过程的重要手段，有助于理解陨石的成分和形成机制。9.行星形成理论中，从微小尘埃颗粒通过碰撞聚集成毫米级星子，通常需要______机制来克服重力坍缩。10.韦伯太空望远镜等先进的观测设备，极大地提升了我们在______系外行星及其大气方面的能力。三、名词解释（每题3分，共15分。请给出简洁、准确的定义）1.冰线2.行星胚胎3.共同旋转进动4.凌日法5.行星科学四、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述气体巨行星形成的核心-吸积模型的两个主要阶段。2.行星形成理论中，星子碰撞吸积需要克服哪些主要的物理障碍？3.简要说明径向速度法探测系外行星的原理及其主要局限性。4.为什么说太阳系小行星和彗星是研究太阳系早期历史的宝贵样品？五、论述题（每题10分，共20分。请结合所学知识，深入阐述下列问题）1.综合说明观测证据（如系外行星、太阳系陨石、年轻恒星盘）如何支持或修正当前的行星形成理论。2.探讨行星形成理论与地球科学（如地壳演化、水资源起源）之间的联系。---试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.C5.B6.C7.B8.A9.D10.A二、填空题1.行星盘2.4倍3.氢4.行星盘风(或恒星风驱动的风)5.组成6.木星7.巨行星(或行星)8.碎裂与聚合9.电磁(或碰撞)10.系外三、名词解释1.冰线：指行星盘中温度低到足以使水冰、氨冰和甲烷冰稳定存在的等温线。它大致对应着今天地球轨道之外的位置，是区分类地行星和气态巨行星形成区域的关键边界。2.行星胚胎：指在行星形成早期，通过不断吸积星子而增长到具有一定质量（通常达到地球质量的十分之一到几倍）的天体，它是形成最终行星的基础。3.共同旋转进动：指在引力作用下，绕中心天体旋转的小天体（如行星、卫星），其轨道平面和自转轴会逐渐稳定地指向一个固定的方向（通常指向中心天体质心），形成一个共面的、近似垂直于中心天体自转轴的系统构型。4.凌日法：一种间接探测系外行星的方法。当系外行星在其宿主恒星前方经过（凌日）时，会挡住部分恒星光线，导致恒星可见光度发生周期性的小幅下降。通过精确测量这种光变曲线，可以推断行星的存在及其一些基本参数。5.行星科学：一个交叉学科领域，主要研究行星的形成、演化和死亡，以及太阳系（或其他恒星系统）中行星的物理、化学、地质和大气特性。它结合了天文学、地质学、物理学、化学和空间科学等多个学科的知识和方法。四、简答题1.气态巨行星形成的核心-吸积模型主要包括两个阶段：首先，一个足够大的岩石核心（质量可达地球质量的10倍以上）通过吸积周围的气体和冰粒，迅速增长。当核心质量足够大时（约木星质量的10%），其引力足以吸引行星盘中的大部分氢和氦气体，进入快速吸积阶段，在短时间内（数百年到数千年）质量急剧增加到木星或土星的大小。2.星子碰撞吸积需要克服的主要物理障碍包括：①动能障碍：星子在行星盘中有一定的轨道速度，相互碰撞时通常具有较大的相对动能，需要通过碰撞过程中的能量耗散（如非弹性碰撞、形成角动量）才能将动能转化为引力势能，实现结合。②重力坍缩障碍：吸积初期形成的星子质量较小，自身引力不足以抵抗其膨胀趋势，需要通过持续的吸积或有效的碰撞机制来增加质量，直至达到引力坍缩的临界点。③角动量障碍：星子具有角动量，吸积过程需要有效机制（如气体拖曳、行星盘风）来消耗角动量，使物质能够流向中心区域并稳定吸积。3.径向速度法（或称视向速度法）探测系外行星的原理是：行星围绕其宿主恒星公转时，会因引力作用引起恒星产生微小的、周期性的径向速度扰动。通过高精度的光谱仪测量恒星光谱线的多普勒频移，可以探测到这种周期性的速度变化，从而推断出行星的存在。其主要局限性在于：①观测到的只是行星系统质心的运动，对于致密行星（如类地行星）与低质量恒星组成的系统，行星信号可能被恒星自身的“抖动”（jitter）所淹没。②对于轨道倾角较大的系统，可能探测不到信号。③主要适合探测靠近恒星的巨大行星。4.太阳系小行星和彗星被认为是研究太阳系早期历史的宝贵样品，因为它们形成于太阳系早期（太阳星云阶段），之后经历了相对较少的后期重轰炸和演化改造。它们如同“时间胶囊”，保留了太阳星云原始的化学组成、物理性质以及形成时的温度、压力等历史信息。通过对它们的成分分析（如元素丰度、同位素比值、矿物学特征），科学家可以反推太阳星云的初始状况、行星形成的详细过程（如岩屑、冰屑的来源和混合）、行星胚胎的成分和演化路径，以及太阳系早期环境的性质。五、论述题1.观测证据对行星形成理论的支撑与修正体现在多个方面。支持方面：观测到大量原行星盘（特别是年轻恒星周围），其结构（如光环、喷流、尘埃分布）与理论模型预测的行星形成早期阶段的盘模型一致；系外行星的发现，特别是不同类型行星（类地、超级地球、气态巨行星、冰巨行星）的存在及其分布，为多种形成理论（如核心-吸积、引力不稳定性）提供了检验的机会，例如，冰巨行星的分布支持冰线内外物质组成的差异；太阳系内的小行星、彗星和行星（特别是地球深部取样）提供了行星形成和演化的直接物质证据，其成分和同位素特征与理论模型预测相符。修正方面：系外行星系统的多样性与太阳系的单行星/双行星系统形成鲜明对比，挑战了简单的单一恒星系行星形成理论，促使人们思考系统形成过程中的随机性和复杂性；部分系外行星的异常轨道（高偏心率、高倾角）难以用标准模型解释，可能暗示了行星形成和演化过程中存在未被充分认识的过程（如行星间的引力相互作用、磁盘-行星相互作用）；对原行星盘化学成分的精细观测（如特定有机分子、同位素指纹）与理论预测存在差异，可能需要对星云的初始化学组成或化学反应网络进行修正。综合来看，观测证据不断推动行星形成理论走向更精细、更全面的方向。2.行星形成理论与地球科学之间存在密切联系。首先，行星形成过程决定了行星的初始组成和结构，例如，形成于冰线内侧的地球获得了丰富的水冰，这是地球拥有庞大水圈的基础，这与地球科学中的水圈起源、宜居性研究直接相关。其次，行星胚胎和行星之间的巨大碰撞是塑造行星（特别是类地行星）形状、内部结构（如地核、地幔、地壳的形成与分异）和大气层的关键过程。例如，地球形成早期的大型碰撞（常被称为“大碰撞”）被认为是导致地球获得当前质量、触发月球形成以及分异出铁镍地核的重要因素，这对理解地球的地质演化、动力学和早期宜居环境至关重要。再者，