2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——天體碰撞與行星形成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.根據(jù)目前主流的星云假說，太陽系起源的關(guān)鍵階段發(fā)生在原行星盤的哪個(gè)階段？A.分子云collapse階段B.原恒星形成階段C.碎屑盤形成階段D.行星胚胎吸積階段2.在行星形成過程中，哪種天體被認(rèn)為主要通過捕獲周圍氣體包層形成？A.類地行星B.冰巨行星C.氣態(tài)巨行星D.行星碎片3.以下哪種現(xiàn)象被認(rèn)為是支持月球起源“大碰撞假說”的關(guān)鍵證據(jù)？A.月球缺乏鐵核心B.月球與地球的平均化學(xué)組成相似C.月球缺乏揮發(fā)性物質(zhì)D.以上都是4.天體碰撞過程中，如果動量守恒和角動量守恒成立，但碰撞前后的總動能發(fā)生變化，這通常意味著發(fā)生了：A.完全彈性碰撞B.完全非彈性碰撞C.部分彈性碰撞D.非彈性碰撞5.在太陽系小行星帶，不同軌道半長徑和傾角的小行星的存在，最有力地支持了哪種形成和演化過程？A.單一星云凝聚形成B.恒星風(fēng)驅(qū)動的原行星盤演化C.多次天體碰撞和散射D.星際物質(zhì)捕獲6.如果兩個(gè)天體在引力作用下相互靠近，但最終未能發(fā)生直接碰撞，而是由于相互間的引力作用改變了各自的軌道，這種現(xiàn)象稱為：A.并行軌道通過B.近心軌道碰撞C.散射D.引力捕獲7.望遠(yuǎn)鏡觀測到某些年輕恒星周圍存在明亮的塵埃盤，這通常被解釋為：A.行星正在形成的證據(jù)B.恒星早期演化的階段C.恒星內(nèi)部活動的表現(xiàn)D.望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)問題的結(jié)果8.下列哪項(xiàng)觀測結(jié)果最能支持“核心吸積模型”解釋氣體巨行星的形成？A.碎屑盤中存在大量的冰物質(zhì)B.氣態(tài)巨行星主要成分是氫和氦C.氣態(tài)巨行星位于其母星的宜居帶內(nèi)D.氣態(tài)巨行星的質(zhì)量遠(yuǎn)超同軌道半徑的巖石行星9.隕石坑的輻射紋現(xiàn)象通常表明：A.碰撞發(fā)生在夜間B.碰撞速度非常慢C.碰撞是單向的D.碰撞能量巨大，拋射物向四周擴(kuò)散10.對于研究行星形成早期歷史，以下哪類天體被認(rèn)為是價(jià)值極高的“時(shí)間膠囊”？A.行星本身B.衛(wèi)星表面C.隕石D.系外行星二、填空題（每空2分，共20分）1.太陽星云在引力坍縮過程中，角動量守恒導(dǎo)致其逐漸旋轉(zhuǎn)加速，形成了__________和__________。2.行星形成過程中的____________________階段，主要是微米到厘米級顆粒通過碰撞和吸積增長為公里級的天體。3.根據(jù)開普勒第三定律，行星軌道半長徑的三次方與其公轉(zhuǎn)周期的平方之比對于同一中心天體是__________。4.解釋地球月球系統(tǒng)缺乏過多角動量的主流理論是______________假說。5.天體碰撞產(chǎn)生的能量主要以__________和__________的形式釋放。6.在太陽系中，水星、金星、地球和火星屬于__________行星，而木星、土星、天王星和海王星屬于__________行星。7.觀測表明，許多年輕恒星周圍的碎屑盤存在不對稱結(jié)構(gòu)，這可能與__________有關(guān)。8.隕石坑的中央峰結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為是撞擊體____________________的結(jié)果。9.通過對某些隕石中的稀有同位素比值進(jìn)行分析，可以追溯太陽系形成的____________________。10.行星系統(tǒng)中的__________（如柯伊伯帶、奧爾特云）被認(rèn)為是形成于行星形成晚期或之后的殘留物質(zhì)。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述星云假說的主要內(nèi)容。2.簡述核心吸積模型的主要內(nèi)容。3.簡述天體碰撞對行星系統(tǒng)演化的影響。4.簡述如何利用隕石研究行星形成和碰撞歷史。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)兩個(gè)質(zhì)量均為M的小天體在圓形軌道上相互繞轉(zhuǎn)，軌道半徑為R。若兩者發(fā)生完全非彈性碰撞，合并成一個(gè)新天體，求碰撞后新天體的速度。2.假定一顆質(zhì)量為m的小行星以速度v斜向撞擊一顆質(zhì)量為M（遠(yuǎn)大于m）處于靜止?fàn)顟B(tài)的行星表面。忽略引力影響，求碰撞后小行星被彈射回的速度大小。假設(shè)碰撞為彈性碰撞。五、論述題（每題10分，共20分）1.論述觀測證據(jù)如何支持月球是由地球和一顆火星大小天體碰撞產(chǎn)生的“大碰撞假說”。2.論述原行星盤的哪些物理性質(zhì)和化學(xué)組成對其中的行星形成過程具有重要影響。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.D5.C6.C7.A8.B9.D10.C二、填空題1.原行星盤；星幔2.吸積3.相同4.大碰撞5.熱能；光能6.類地；氣態(tài)巨7.行星碰撞或星子散射8.碎裂并反彈9.時(shí)期10.殘留盤三、簡答題1.簡述星云假說的主要內(nèi)容。答：星云假說認(rèn)為，太陽系起源于一個(gè)巨大的、旋轉(zhuǎn)的分子云（星云盤）。在引力作用下，星云盤開始坍縮，中心部分形成原恒星（太陽），盤中的物質(zhì)則逐漸吸積，形成原行星。隨著原行星不斷增長，其引力影響擴(kuò)大，最終清空了其軌道附近的物質(zhì)，形成了我們今天看到的行星系統(tǒng)。該過程涉及引力、碰撞、吸積等多種物理機(jī)制。2.簡述核心吸積模型的主要內(nèi)容。答：核心吸積模型是解釋氣體巨行星形成的一種主要理論。該模型認(rèn)為，巨行星首先通過吸積巖石和冰塊形成了一個(gè)致密的核心（通常達(dá)到地球質(zhì)量的10-20倍）。當(dāng)核心質(zhì)量達(dá)到一定閾值后，其引力能夠有效地吸引周圍星盤中大量的氫和氦等氣體，迅速形成氣包層，最終演變成巨大的氣體巨行星。3.簡述天體碰撞對行星系統(tǒng)演化的影響。答：天體碰撞是行星系統(tǒng)形成和演化中的關(guān)鍵過程。在行星形成早期，碰撞主導(dǎo)了行星胚胎的growth和合并。碰撞可以改變行星的軌道（如散射導(dǎo)致行星軌道遷移），改變行星的成分（如地球獲得月球、火星獲得S型隕石成分），形成或改變隕石坑地貌。大碰撞事件甚至可能終結(jié)行星形成階段，或?qū)е绿祗w（如月球）的形成。4.簡述如何利用隕石研究行星形成和碰撞歷史。答：隕石是太陽系形成的原始物質(zhì)或早期演化的記錄。通過分析隕石的成分（特別是同位素比值），可以了解太陽星云的化學(xué)組成、行星形成的時(shí)間標(biāo)尺和過程。不同類型的隕石（如碳質(zhì)球粒隕石、普通球粒隕石、無球粒隕石）記錄了不同形成階段的物質(zhì)信息。隕石坑撞擊產(chǎn)生的濺射物有時(shí)會噴射到地表，并被后續(xù)的撞擊事件覆蓋，研究這些濺射物的成分和分布有助于重建早期天體碰撞的歷史。四、計(jì)算題1.計(jì)算題1：解：碰撞前，兩小天體圍繞中心質(zhì)心做圓周運(yùn)動，角速度為ω。對任一小天體，由向心力公式：GMm/R2=mv2/R=mω2R其中M=2m，所以：GMm/(2R)2=mv?2/(2R)=mω2(2R)得v?=ωR=√(GM/R)。碰撞為完全非彈性，合并后瞬間速度為v_f，動量守恒：mv?+mv?=(m+m)v_f2mv?=2mv_fv_f=v?=√(GM/R)。碰撞后新天體速度為√(GM/R)。2.計(jì)算題2：解：設(shè)小行星質(zhì)量為m，速度為v（沿x軸正方向），行星質(zhì)量為M，初速度為0。碰撞為彈性碰撞，動量守恒：mv=mv'+MV'（v',V'分別為碰撞后小行星和行星的速度）機(jī)械能守恒：1/2mv2=1/2mv'2+1/2MV'2由于M>>m，可近似認(rèn)為碰撞后行星速度V'≈0。代入動量守恒方程：mv≈mv'得v'≈-v。碰撞后小行星被彈射回的速度大小約為|v'|=v。五、論述題1.論述題1：答：觀測證據(jù)支持月球“大碰撞假說”主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：*質(zhì)量與地球的比率：月球質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1/81，這個(gè)比例與地球與火星的質(zhì)量比（約1/10）較為接近，暗示月球可能起源于與地球規(guī)模相當(dāng)?shù)奶祗w碰撞。*月球的組成：月球的整體組成，特別是氧同位素比率與地球地幔高度相似，表明月球物質(zhì)主要來源于地球和撞擊體的混合。月球缺乏鐵核心，而富含硅酸鹽，這與撞擊體（可能是一顆火星大小的天體，稱為“忒伊亞”）可能主要是由巖石和硅酸鹽構(gòu)成，而非像地球那樣具有較大鐵核有關(guān)。*月球的角動量：地球-月球系統(tǒng)的總角動量（主要由月球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)提供）非常大，其方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致。大碰撞假說認(rèn)為，忒伊亞撞擊地球時(shí)，將大量角動量傳遞給了地球-月球系統(tǒng)，解釋了當(dāng)前觀測到的角動量值和方向。*地球-月球系統(tǒng)的角動量：該系統(tǒng)的總角動量主要來自形成時(shí)的碰撞過程，而非后續(xù)的月球俘獲。*撞擊產(chǎn)生的碎片分布：模擬研究表明，類似忒伊亞規(guī)模的撞擊確實(shí)能產(chǎn)生與月球組成和質(zhì)量大致相符的碎片云，這些碎片云在引力作用下凝聚形成了月球。2.論述題2：答：原行星盤的物理性質(zhì)和化學(xué)組成對其中的行星形成過程具有重要影響：*溫度結(jié)構(gòu)：原行星盤具有明顯的溫度梯度，靠近中心區(qū)域溫度高，遠(yuǎn)離中心區(qū)域溫度低。這決定了不同成分（如水冰、氨冰、甲烷冰）能在何處凝結(jié)，形成不同類型的星子?？拷行膮^(qū)域只能形成巖石星子，向外逐漸能形成冰星子，這是形成類地行星和冰巨行星成分差異的基礎(chǔ)。*密度和壓力：盤的密度決定了物質(zhì)碰撞和吸積的效率。密度高的區(qū)域更容易形成較大的星子。盤的演化（如密度波、不穩(wěn)定性）會影響物質(zhì)分布和聚集的地點(diǎn)。*化學(xué)組成：盤中的元素和化合物種類（如硅酸鹽、水冰、有機(jī)分子、氣體）直接決定了可形成天體的初始物質(zhì)庫。不同區(qū)域的化學(xué)差異導(dǎo)致了行星組成的區(qū)域分異。*不透明度：盤中的塵埃顆粒對輻射的吸收和散射決定了盤的光學(xué)厚度和溫度結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響行星形成的效率和環(huán)境。不透明度的變化（如由塵埃沉降引起