2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)與研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.以下哪種天文現(xiàn)象是凌日法發(fā)現(xiàn)系外行星的主要依據(jù)？A.宿主星光譜的多普勒頻移B.宿主星亮度周期性減弱C.行星自身發(fā)出的可見光輻射D.行星對宿主星的微引力影響2.視向速度法測量系外行星質(zhì)量的主要原理是？A.測量行星的視直徑變化B.測量行星軌道周期的變化C.利用開普勒第三定律分析宿主星的速度擾動D.測量行星表面溫度與宿主星的溫度差3.褐矮星通常被定義為具有質(zhì)量的、但不自發(fā)起恒星的物體。它們與氣態(tài)巨行星的主要區(qū)別在于？A.質(zhì)量范圍不同B.化學(xué)成分不同C.核聚變發(fā)生的元素不同D.形成機制不同4.開普勒行星運動定律中，描述行星軌道形狀的是？A.第一定律（橢圓軌道定律）B.第二定律（面積定律）C.第三定律（周期與距離定律）D.牛頓萬有引力定律5.“宜居帶”通常指的是？A.行星大氣層最穩(wěn)定的區(qū)域B.行星表面溫度適宜液態(tài)水存在的區(qū)域C.行星公轉(zhuǎn)速度最快的區(qū)域D.行星與恒星距離最近的區(qū)域6.目前發(fā)現(xiàn)的最小的系外行星（半徑與地球相近）主要通過哪種方法被探測到？A.直接成像法B.微引力透鏡法C.凌日法D.視向速度法7.行星的密度可以通過測量其質(zhì)量和半徑來計算。密度較大的系外行星可能主要由什么構(gòu)成？A.氫和氦B.巖石和冰C.氣體和塵埃D.液態(tài)金屬8.TESS（TransitingExoplanetSurveySatellite）任務(wù)的主要目標(biāo)是？A.對已知恒星系統(tǒng)進行高精度視向速度測量B.直接成像探測類日行星C.尋找太陽系附近、具有潛在宜居性的系外行星D.研究系外行星的大氣成分9.當(dāng)一個行星位于其宿主星的“食線”正前方時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？A.宿主星的光譜線出現(xiàn)紅移B.宿主星的光度發(fā)生短暫下降C.行星自身發(fā)出強烈光芒D.宿主星的自轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化10.系外行星研究的意義之一在于？A.證明宇宙中存在比地球更先進的生命形式B.幫助我們理解行星系統(tǒng)形成的普遍規(guī)律C.直接測定宇宙膨脹的速度D.為人類尋找新的能源來源二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.視向速度法探測系外行星時，通常使用спектроскопия來測量恒星光譜的多普勒shifts。2.確定一個系外行星的質(zhì)量是否大于木星質(zhì)量，通常使用視向速度法，并需要考慮恒星的質(zhì)量。3.凌日法測得的行星半徑與其真實體積是related的，但無法直接確定其mass。4.根據(jù)開普勒第三定律，行星的公轉(zhuǎn)周期T的平方與其軌道半長軸a的立方成正比。5.目前發(fā)現(xiàn)的系外行星絕大多數(shù)是圍繞類日恒星運行的氣態(tài)巨行星。6.直接成像法主要探測的是具有巨大質(zhì)量的天體，且需要避免宿主星的強烈光芒干擾。7.行星是否位于其恒星的宜居帶內(nèi)，不僅取決于距離，還與其大氣成分等因素有關(guān)。8.微引力透鏡效應(yīng)是利用遠方類星體或恒星被前景星系（或行星）引力透鏡產(chǎn)生的放大、扭曲現(xiàn)象來探測暗物質(zhì)或系外行星。9.系外行星的“半徑-質(zhì)量”關(guān)系是判斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如rocky還是gaseous）的重要依據(jù)。10.除了凌日法和視向速度法，法布里-珀羅干涉儀也被應(yīng)用于探測某些特定類型的系外行星。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述凌日法探測系外行星的基本原理及其主要優(yōu)缺點。2.簡述視向速度法探測系外行星的基本原理及其主要優(yōu)缺點。3.簡要解釋什么是系外行星的“宜居帶”，并說明僅僅位于宜居帶內(nèi)是否意味著行星一定適合生命存在。4.簡述直接成像法探測系外行星所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。四、論述題（每題10分，共30分。）1.試述開普勒行星運動定律在系外行星研究中的應(yīng)用，并說明第三定律如何幫助我們估算行星與恒星的距離。2.比較并討論目前主流的系外行星探測方法（至少三種）的原理、探測到的行星類型、優(yōu)缺點以及適用范圍。3.結(jié)合當(dāng)前觀測證據(jù)，論述系外行星系統(tǒng)的多樣性與太陽系行星系統(tǒng)的異同，并探討這可能對行星形成和演化理論提出哪些挑戰(zhàn)或啟示。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.A5.B6.C7.B8.C9.B10.B二、填空題1.光譜，多普勒頻移2.相關(guān)，恒星的質(zhì)量3.相關(guān)4.成正比5.類日恒星運行的氣態(tài)巨行星6.氣態(tài)巨行星，避免宿主星的強烈光芒干擾7.大氣成分等因素8.遠方類星體或恒星，被前景星系（或行星）引力透鏡產(chǎn)生的放大、扭曲現(xiàn)象9.半徑-質(zhì)量10.法布里-珀羅干涉儀三、簡答題1.原理：當(dāng)行星運行到其宿主星前方時，會遮擋住部分恒星的星光，導(dǎo)致恒星亮度發(fā)生周期性短暫下降。通過精確測量這種光變曲線的深度、周期和形狀，可以推斷出行星的存在及其部分參數(shù)（如半徑、軌道周期、與恒星的距離）。優(yōu)點：可以直接測量行星的半徑，獲得行星質(zhì)量與半徑的比值，有助于判斷行星性質(zhì)；觀測相對容易，不需要高分辨率光譜。缺點：僅適用于與恒星成角度的行星系統(tǒng)；易受行星凌星深度影響，難以探測小型行星或距離恒星較遠的行星；可能存在其他天體造成的假陽性信號（如恒星活動、背景星等）。2.原理：通過高精度的光譜儀測量恒星在垂直于視線方向上的速度變化。行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)時，會帶動恒星輕微晃動，導(dǎo)致恒星光譜線產(chǎn)生周期性的多普勒頻移。通過分析光譜線的多普勒頻移量及其周期，可以計算出行星的質(zhì)量和軌道半長軸。優(yōu)點：可以直接測量行星的質(zhì)量（相對恒星而言），不受行星半徑影響；理論上可以探測到較外圍的行星。缺點：難以直接測量行星半徑；探測靈敏度受恒星質(zhì)量和行星軌道周期影響，較難發(fā)現(xiàn)質(zhì)量小、軌道周期長的行星；易受恒星自身活動（如spots）造成的“假信號”干擾。3.定義：行星在其恒星的“宜居帶”內(nèi)運行時，其表面溫度可能適宜液態(tài)水的存在，而液態(tài)水被認為是生命存在的關(guān)鍵條件之一。關(guān)系：不是。宜居帶僅是一個基于行星表面溫度模型的概念，主要取決于行星與恒星的距離。一個行星即使位于宜居帶內(nèi)，如果其大氣成分不適合維持表面液態(tài)水（如大氣壓過低或缺乏足夠保護），或者其內(nèi)部熱量來源不足，也未必適合生命存在。此外，宜居帶是動態(tài)變化的。4.挑戰(zhàn)：*背景光淹沒：恒星的亮度遠遠超過其行星，直接成像法需要探測的是極其微弱的行星信號，背景光干擾是最大的挑戰(zhàn)。*高分辨率要求：需要極高分辨率的望遠鏡和成像技術(shù)，才能在空間上區(qū)分開恒星和行星。*大氣分辨：即使能分辨行星，也需要克服恒星強大的光芒，才能觀測到行星微弱的大氣信號。*觀測角度：主要適用于對地球具有“正面”朝向的行星系統(tǒng)，且行星需要運行到某個特定位置（如遠星等點）。四、論述題1.應(yīng)用：*第一定律（橢圓軌道）：描述了行星軌道的形狀，視向速度法探測到的恒星“晃動”軌跡可以間接印證行星軌道是橢圓。*第二定律（面積定律）：描述了行星角動量守恒，與行星在其軌道上的運動速度變化有關(guān)，可用于理解行星軌道形狀和周期性。*第三定律（周期與距離）：P2∝a3。通過視向速度法測得行星軌道半長軸a（或通過凌日法測得a），結(jié)合測得的公轉(zhuǎn)周期P（通過視向速度法或凌日法測得），可以利用該定律反推恒星的質(zhì)量M，或比較不同行星系統(tǒng)的參數(shù)，理解行星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演化。2.比較討論：*凌日法：*原理：行星遮擋恒星導(dǎo)致光變。*行星類型：主要探測到半徑較大的行星（如氣態(tài)巨行星），且要求行星軌道與視線接近平行。*優(yōu)點：可測行星半徑，技術(shù)相對成熟，已發(fā)現(xiàn)大量行星。*缺點：僅適用于特定角度的系統(tǒng)，難以探測小型行星或長周期行星。*視向速度法：*原理：行星引力引起恒星在視線方向上的速度周期性變化（多普勒效應(yīng)）。*行星類型：主要探測到質(zhì)量較大的行星（尤其是氣態(tài)巨行星），對距離恒星較近的行星更敏感。*優(yōu)點：可測行星質(zhì)量，可探測較外圍的行星。*缺點：難測行星半徑，易受恒星活動干擾。*直接成像法：*原理：直接拍攝行星反射的星光或自身輻射。*行星類型：主要探測到質(zhì)量較大的行星（類似氣態(tài)巨行星或褐矮星），要求行星與恒星距離較遠。*優(yōu)點：可同時觀測多個行星，可研究行星大氣。*缺點：技術(shù)難度極高，易受背景光干擾，主要探測到“幸運視角”下的系統(tǒng)。*微引力透鏡法：*原理：前景天體（包括行星）引力透鏡放大背景光源，導(dǎo)致光強變化。*行星類型：可探測到較外圍的行星，質(zhì)量下限相對較低。*優(yōu)點：可探測到視向速度法難以發(fā)現(xiàn)的遙遠行星，是發(fā)現(xiàn)系外行星的重要補充手段。*缺點：事件是瞬時的、不可重復(fù)的，定位和確認行星較困難。*適用范圍：各方法各有側(cè)重，通常需要結(jié)合多種方法才能更全面地探測和研究系外行星系統(tǒng)。3.多樣性與異同及啟示：*多樣性：當(dāng)前觀測發(fā)現(xiàn)系外行星系統(tǒng)非常多樣，存在多行星系統(tǒng)、短周期熱木星、超級地球、系外太陽系（類似太陽系但參數(shù)不同）、甚至“自由漂浮”的行星等。這與太陽系形成了鮮明對比。*異同：太陽系行星大致按距離分布，具有類地行星和氣態(tài)巨行星的明確區(qū)分，軌道相對穩(wěn)定。而多數(shù)系外行星系統(tǒng)表現(xiàn)出劇烈的擾動、軌道傾角大、存在質(zhì)量異常大的行星等現(xiàn)象。*挑戰(zhàn)與啟示：*