2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星形成時的物質(zhì)聚集過程分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、解釋引力不穩(wěn)定性在原行星盤中觸發(fā)物質(zhì)聚集（星子形成）中的作用機制，并簡述其發(fā)生的條件。二、描述塵埃顆粒從微米尺度增長到厘米尺度（形成星子）的主要過程和關(guān)鍵物理機制，并指出該階段增長速率可能出現(xiàn)的兩種模式及其區(qū)別。三、比較類地行星和氣態(tài)巨行星在其固體物質(zhì)聚集階段的主要異同點，包括核心形成方式、增長速率、以及影響其最終形成的可能關(guān)鍵因素。四、闡述行星胚胎如何通過引力捕獲周圍氣體，并說明這一過程對于巨行星形成的重要性，以及核心質(zhì)量達到何種程度可能對捕獲氣體至關(guān)重要。五、分析影響原行星盤中固體物質(zhì)聚集效率的幾個關(guān)鍵因素（例如塵埃豐度、氣體密度、溫度梯度等），并解釋這些因素如何調(diào)控聚集過程的速度和最終結(jié)果。六、假設(shè)觀測發(fā)現(xiàn)某區(qū)域原行星盤塵埃顆粒的尺度普遍較大，請結(jié)合所學(xué)知識，分析這可能暗示了該區(qū)域經(jīng)歷了怎樣的物質(zhì)聚集歷史或環(huán)境條件。試卷答案一、引力不穩(wěn)定性通過在原行星盤密度較高的區(qū)域產(chǎn)生局部引力勢能增長來觸發(fā)物質(zhì)聚集。當(dāng)氣體和塵埃的相對速度（SonicSpeed）低于局部引力加速度時，塵埃顆粒會傾向于向密度較高的區(qū)域沉降和聚集。這導(dǎo)致局部塵埃豐度進一步提高，吸引更多物質(zhì)流入，形成密度不連續(xù)的“包層”或“核”。這些密集的核心引力勢能強大到足以克服氣體旋轉(zhuǎn)的離心力，使氣體開始向內(nèi)流，而塵埃則在此區(qū)域快速聚集，形成星子。發(fā)生條件通常與星盤的密度、溫度分布以及塵埃與氣體的相對速度有關(guān)，當(dāng)這些條件滿足不穩(wěn)定性判據(jù)時即可發(fā)生。二、塵埃顆粒從微米尺度增長到厘米尺度主要通過以下過程：首先，微米尺度顆粒通過碰撞捕獲其他顆粒，形成更大的聚集體。隨著顆粒尺寸增大，引力作用變得相對重要，碰撞后的顆粒更容易粘附在一起，而不是彈開。粘附機制包括物理粘附（范德華力、靜電作用等）和化學(xué)鍵合。這個過程可能經(jīng)歷多個碰撞和粘附事件，逐漸形成厘米尺度的星子。該階段增長速率可能有兩種模式：快速增長模式（RapidAccretion），此時星子尺寸較小，引力有限，主要通過快速碰撞和并合增長；慢速增長模式（SlowAccretion），當(dāng)星子達到一定尺寸（米到公里尺度），其引力足夠強大，能夠束縛氣體，形成星幔，增長速率顯著減慢，主要依靠氣體吸積或更緩慢的星子碰撞。三、類地行星和氣態(tài)巨行星在固體物質(zhì)聚集階段的主要異同點：相同點在于都始于微米尺度塵埃顆粒的碰撞粘附，并經(jīng)歷向厘米、米尺度星子的增長過程。不同點在于核心形成方式和最終產(chǎn)物。類地行星主要在低密度區(qū)域形成較小的核心，依靠快速碰撞并合增長，最終形成巖石/金屬核心，并在此基礎(chǔ)上吸積大量物質(zhì)形成地幔和地殼。氣態(tài)巨行星的核心形成需要更高的塵埃豐度和密度環(huán)境，核心增長達到一定質(zhì)量（可能需超過臨界質(zhì)量）后，能夠高效捕獲周圍的大量氣體，形成厚厚的大氣層。關(guān)鍵影響因素上的差異也很大：類地行星受氣體密度影響相對較小，更依賴局部塵埃供應(yīng)和碰撞效率；而氣態(tài)巨行星的形成對原行星盤的氣體密度、溫度結(jié)構(gòu)以及核心增長速率（即達到臨界質(zhì)量的速度）極為敏感。四、行星胚胎通過引力捕獲周圍氣體的主要方式是“潮汐吸積”。當(dāng)固體核心（行星胚胎）的引力足夠強大時，可以束縛住其軌道附近的部分氣體。由于固體核心密度遠大于氣體，其引力場對氣體產(chǎn)生的潮汐力更強。在核心引力作用下，靠近核心的氣體被加速，而被核心甩開的氣體則形成稀疏的包層。核心與氣體包層之間存在一個氣體速度匹配點（Dopause），在此處氣體的軌道速度等于核心的速度。核心可以持續(xù)從核心內(nèi)側(cè)和外側(cè)的氣體中吸積物質(zhì)，特別是從內(nèi)側(cè)吸積（氣體旋轉(zhuǎn)速度低于核心速度）更為高效。這一過程對于巨行星形成至關(guān)重要，是它們能夠迅速增長到巨大質(zhì)量的關(guān)鍵機制，遠超其固體核心的質(zhì)量。五、影響原行星盤中固體物質(zhì)聚集效率的關(guān)鍵因素及其作用：1.塵埃豐度：塵埃是物質(zhì)聚集的初始原料。豐度越高，碰撞概率越大，星子形成的潛在速率越高。但過高或過低的塵埃豐度可能不利于穩(wěn)定星子形成。2.氣體密度：氣體密度影響塵埃顆粒的沉降速度和軌道運動。高密度氣體提供更大的阻力，減慢沉降，但也可能限制碰撞；低密度氣體則反之。氣體密度也決定了巨行星核心能夠達到的最大質(zhì)量，進而影響其捕獲氣體的能力。3.溫度梯度：原行星盤的溫度隨半徑變化，影響塵埃的蒸發(fā)、粘附性以及氣體成分的分布。溫度梯度決定了塵埃顆粒的尺度分布和沉降路徑，進而影響聚集效率和區(qū)域。4.氣體與塵埃的相對速度：相對速度影響塵埃的捕獲效率。速度過高，塵埃難以被核心束縛而飛離；速度過低，塵埃易沉降聚集。5.盤的年齡和演化：盤的演化影響其密度、溫度、成分和動力學(xué)狀態(tài)，從而改變聚集條件和速率。這些因素相互關(guān)聯(lián)，共同調(diào)控著物質(zhì)聚集過程的速度和最終形成的行星的性質(zhì)。六、某區(qū)域原行星盤塵埃顆粒尺度普遍較大，可能暗示了該區(qū)域經(jīng)歷了快速或高效的物質(zhì)聚集歷史。這可能是由于該區(qū)域早期塵埃豐度較高，或者氣體密度較大，有利于塵埃顆粒的快速碰撞和粘附。較大的塵埃顆粒意味著它們在形成后就經(jīng)歷了較少的碎裂過程，這可能表明該區(qū)域處于原行星盤演化較早的階段，或者處于一個相對穩(wěn)定的聚集環(huán)境，碰撞相對溫和。另一種可能是，該區(qū)域靠近一個正在形成的行星胚胎或巨行星核心，