2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間塵埃來(lái)源分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述星際塵埃的主要物理和化學(xué)分類。請(qǐng)分別說(shuō)明硅質(zhì)塵埃和碳質(zhì)塵埃在成分、光譜特性上的主要區(qū)別，并舉例說(shuō)明它們可能的主要形成環(huán)境。二、描述恒星風(fēng)如何作為星際塵埃的一種來(lái)源。請(qǐng)闡述恒星風(fēng)從早期主序星到紅巨星/超巨星階段，其作為塵埃來(lái)源的機(jī)制和效率可能發(fā)生的變化，并說(shuō)明影響其效率的關(guān)鍵因素。三、行星狀星云被認(rèn)為是重要的星際塵埃來(lái)源。請(qǐng)?jiān)敿?xì)解釋行星狀星云中塵埃形成的主要機(jī)制（核縮聚和生長(zhǎng)），并說(shuō)明其產(chǎn)生的塵埃與恒星演化早期階段（如主序星風(fēng)）產(chǎn)生的塵埃在成分和尺度分布上的主要差異。四、論述星際塵埃的探測(cè)方法及其局限性。請(qǐng)分別說(shuō)明紅外天文學(xué)和微波天文學(xué)在探測(cè)不同性質(zhì)（溫度、尺度）的星際塵埃方面的原理和優(yōu)勢(shì)，并討論當(dāng)前星際塵埃探測(cè)面臨的主要挑戰(zhàn)，例如區(qū)分塵埃與氣體發(fā)射、星際介質(zhì)不透明度等。五、假設(shè)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示某區(qū)域星際介質(zhì)中存在大量毫米級(jí)碳質(zhì)塵埃顆粒，且其空間分布與特定年輕恒星的輻射流相耦合。請(qǐng)分析這可能暗示了哪些塵埃形成或演化過(guò)程正在發(fā)生？并推測(cè)這些塵埃的最終命運(yùn)可能是什么？六、比較分析兩個(gè)主要的星際塵埃來(lái)源理論：恒星級(jí)風(fēng)理論和原行星盤殘留理論。請(qǐng)從塵埃的化學(xué)成分、空間分布特征（例如，金屬豐度隨距離的變化）、觀測(cè)證據(jù)等方面，討論這兩種理論的適用范圍和各自的證據(jù)支持情況。七、星際塵埃與行星形成過(guò)程密切相關(guān)。請(qǐng)解釋星際塵埃如何在原行星盤中通過(guò)碰撞聚集和吸積過(guò)程，逐步生長(zhǎng)成更大的顆粒，并最終形成行星胚胎。討論在這個(gè)過(guò)程中，塵埃的物理性質(zhì)（如尺寸、密度）和化學(xué)成分（如揮發(fā)性物質(zhì)丟失）可能發(fā)生的變化及其對(duì)行星組成演化的影響。試卷答案一、物理分類：按尺度可分為微米級(jí)塵埃（星際介質(zhì)塵埃）、毫米級(jí)/厘米級(jí)塵埃（星子/星際微隕石）；按光學(xué)性質(zhì)可分為灰塵埃（主要散射可見(jiàn)光）和黑塵埃（強(qiáng)烈吸收可見(jiàn)光，主要發(fā)射紅外輻射）?；瘜W(xué)分類：主要為硅酸鹽（如橄欖石、輝石）、碳質(zhì)塵埃（石墨、無(wú)定形碳）、金屬顆粒（如鐵、鎳）及少量有機(jī)分子。主要區(qū)別：*硅質(zhì)塵埃：成分富含硅、氧、鎂、鐵等元素，形成溫度較高（>1000K）。主要發(fā)射中紅外（幾微米）輻射，顏色偏紅。形成環(huán)境主要是恒星際云中低溫區(qū)或行星狀星云中。*碳質(zhì)塵埃：成分以碳為主，可呈石墨或無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)。形成溫度較低（<700K）。主要發(fā)射遠(yuǎn)紅外（幾到幾十微米）甚至微波輻射，顏色偏藍(lán)。形成環(huán)境主要是紅巨星/超巨星風(fēng)、行星狀星云高溫區(qū)或早期宇宙。解析思路：本題考察對(duì)星際塵?；痉诸愺w系的掌握。需要區(qū)分物理分類（尺度、光學(xué)性質(zhì)）和化學(xué)分類（主要成分），并能準(zhǔn)確描述硅質(zhì)和碳質(zhì)塵埃在關(guān)鍵特征（成分、形成溫度、光譜、顏色、形成環(huán)境）上的核心差異?；卮鹦韪采w分類依據(jù)和主要區(qū)別點(diǎn)。二、恒星風(fēng)來(lái)源機(jī)制：恒星（尤其是O、B、A型早期主序星和所有晚型星）的強(qiáng)大stellarwind將其外層物質(zhì)（包括被恒星核合成元素污染的氣體和形成的塵埃種子）吹入星際空間。機(jī)制變化：*早期主序星（O/B型）：風(fēng)速高（~1000km/s），動(dòng)量壓力大，剝離內(nèi)層星際云物質(zhì)，效率可能受限于云內(nèi)塵埃種子的豐度。主要形成毫米級(jí)以下的塵埃。*紅巨星/超巨星：核反應(yīng)停止，外層急劇膨脹，風(fēng)速極高（~1000km/s），動(dòng)量輸出劇增。恒星風(fēng)物質(zhì)被強(qiáng)烈加熱，內(nèi)部核合成產(chǎn)物（硅、氧、碳、金屬）被帶到更外層，形成富含重元素的塵埃顆粒（包括毫米級(jí)碳質(zhì)塵埃和硅質(zhì)塵埃）。其效率遠(yuǎn)高于早期主序星風(fēng)。關(guān)鍵因素：恒星質(zhì)量、光度、有效溫度、年齡、金屬豐度、風(fēng)速、風(fēng)動(dòng)量輸出率。解析思路：首先要明確恒星風(fēng)是物質(zhì)（含塵埃種子）被吹出的過(guò)程。然后區(qū)分不同類型恒星（早期主序星vs晚型星/紅超巨星）在風(fēng)的速度、溫度、成分輸出以及效率上的差異。強(qiáng)調(diào)重元素塵埃的形成與紅超巨星演化階段相關(guān)。最后列出影響風(fēng)來(lái)源效率的關(guān)鍵恒星參數(shù)。三、行星狀星云塵埃形成機(jī)制：*核縮聚：恒星紫外輻射和高能粒子（風(fēng)）加熱星際氣體，使某些揮發(fā)性物質(zhì)（如水、氨、甲烷）凍結(jié)在微小的塵埃種子（可能來(lái)自早期恒星風(fēng)或星際介質(zhì)）表面，形成冰核。當(dāng)溫度下降時(shí)，非揮發(fā)性物質(zhì)（如硅、鋁、鐵氧化物）在冰核表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和物理吸附聚集，形成納米到微米級(jí)的初始?jí)m埃顆粒。*生長(zhǎng)：這些初始顆粒通過(guò)兩種主要方式生長(zhǎng)：*碰撞聚集（Accretion）：在密度較高的行星狀星云盤內(nèi)，塵埃顆粒相互碰撞并粘附，逐漸長(zhǎng)大。*吸積（AccretionofGas/Ice）：塵埃表面吸附周圍的氣體或冰，增加質(zhì)量。主要差異：*成分：行星狀星云塵埃通常比早期恒星風(fēng)塵埃含有更豐富的重元素和更復(fù)雜的有機(jī)分子，因?yàn)樗鼈兘?jīng)歷了更復(fù)雜的化學(xué)演化。*尺度：主要形成微米級(jí)到毫米級(jí)塵埃，甚至可能形成星子。*形成溫度：整體形成溫度相對(duì)較低，有利于碳和復(fù)雜有機(jī)物的合成。*形成環(huán)境：發(fā)生在行星狀星云盤內(nèi)，這是一個(gè)密度高、化學(xué)活躍且受到中心白矮星強(qiáng)烈輻射和紫外輻射影響的環(huán)境。解析思路：需要清晰闡述核縮聚和生長(zhǎng)兩個(gè)關(guān)鍵步驟，特別是冰核的形成對(duì)硅質(zhì)塵埃生長(zhǎng)的重要性。區(qū)分行星狀星云塵埃與早期恒星風(fēng)塵埃在成分、尺度、形成溫度和環(huán)境上的主要不同。強(qiáng)調(diào)行星狀星云是合成富重元素塵埃和復(fù)雜有機(jī)物的理想場(chǎng)所。四、探測(cè)方法與原理：*紅外天文學(xué)：塵埃顆粒吸收可見(jiàn)光和紫外光后，會(huì)重新發(fā)射熱紅外輻射（主要是中紅外波段，~5-50微米）。不同溫度和成分的塵埃發(fā)射光譜不同。原理是基于熱輻射定律。優(yōu)勢(shì)在于能有效探測(cè)被星際氣體吸收或遮蔽的紅外源，區(qū)分不同類型的塵埃。*微波天文學(xué)：冷塵埃（~10-20K）會(huì)發(fā)射微波輻射（主要是毫米波段，~1-1000微米），這是由于空間塵埃顆粒與周圍冷氣體之間的電偶極子相互作用（米氏散射）產(chǎn)生的熱輻射。原理是電磁輻射與介電常數(shù)變化的相互作用。優(yōu)勢(shì)在于能探測(cè)到溫度極低的暗塵埃，以及與氣體耦合緊密的區(qū)域。局限性：*星際介質(zhì)不透明度：紅外和微波輻射在穿過(guò)大量塵埃和氣體時(shí)會(huì)被吸收和散射，導(dǎo)致信號(hào)衰減，難以觀測(cè)到遠(yuǎn)距離或非常密集的塵埃源。*區(qū)分塵埃與氣體：許多氣體分子（如CO、H?O）在紅外和微波也有發(fā)射譜線，需要精確的譜線識(shí)別和建模才能將塵埃發(fā)射與氣體發(fā)射區(qū)分開(kāi)。*塵埃光學(xué)性質(zhì)的不確定性：塵埃的發(fā)射/散射特性與其成分、形狀、尺寸分布密切相關(guān)，而這些參數(shù)往往是未知的，給定標(biāo)和解釋觀測(cè)結(jié)果帶來(lái)困難。*觀測(cè)分辨率限制：對(duì)于彌散的塵埃分布，地面或空間望遠(yuǎn)鏡的分辨率可能不足以分辨其精細(xì)結(jié)構(gòu)。解析思路：需要分別解釋紅外和微波探測(cè)的基本原理（能量來(lái)源/機(jī)制），并說(shuō)明各自的優(yōu)勢(shì)。然后，系統(tǒng)地列出當(dāng)前星際塵埃探測(cè)面臨的主要挑戰(zhàn)，涵蓋物理過(guò)程（不透明度）、信號(hào)分析（氣體干擾）和參數(shù)定標(biāo)（性質(zhì)未知）等方面。五、可能暗示的過(guò)程：*毫米級(jí)碳質(zhì)塵埃的存在：暗示了在輻射主導(dǎo)的環(huán)境中仍有有效的碳質(zhì)塵埃形成機(jī)制，或者這些塵埃經(jīng)歷了某種保護(hù)過(guò)程（如被水冰覆蓋）使其免受紫外輻射破壞。*與輻射流耦合的空間分布：表明塵埃的運(yùn)動(dòng)（如輻射壓驅(qū)動(dòng)）與恒星風(fēng)或紫外輻射場(chǎng)密切相關(guān)，可能暗示著塵埃正被輸運(yùn)或聚集在特定的空間區(qū)域（如風(fēng)洞、界面）?？赡馨l(fā)生的機(jī)制：*不透明性增加：大量毫米級(jí)塵?？赡茱@著增加了該區(qū)域的星際不透明度，特別是在紅外波段。*塵埃蒸發(fā)/表面變化：恒星紫外輻射可能正在蒸發(fā)塵埃表面的水冰，改變其光學(xué)性質(zhì)和成分。*塵埃聚集/沉降：輻射壓可能與氣體動(dòng)量交換共同作用，導(dǎo)致塵埃聚集或向特定區(qū)域（如磁場(chǎng)線）沉降。*與氣體動(dòng)力學(xué)相互作用：塵?？赡芘c恒星風(fēng)或星際云的沖擊波發(fā)生相互作用，影響其運(yùn)動(dòng)軌跡和分布。最終命運(yùn)：*被吹散：如果輻射壓力和氣體動(dòng)量交換占主導(dǎo)，塵埃可能被加速并最終被吹出該區(qū)域。*參與形成行星：如果塵埃能夠聚集并在原行星盤中幸存下來(lái)，它們可能成為行星或小行星的建造塊。*與恒星碰撞：在非常近距離的交互中，塵?？赡鼙缓阈遣东@或直接撞擊恒星。*化學(xué)演化：在行星狀星云環(huán)境中，塵埃成分可能進(jìn)一步演化。解析思路：首先要解讀觀測(cè)證據(jù)（毫米級(jí)碳質(zhì)塵埃、與輻射耦合分布）所蘊(yùn)含的信息，聯(lián)想到塵埃的物理性質(zhì)（不透明度、對(duì)輻射的響應(yīng)）和運(yùn)動(dòng)特性。然后，基于這些信息，推斷可能發(fā)生的物理和化學(xué)過(guò)程（如不透明度變化、蒸發(fā)、運(yùn)動(dòng)改變）。最后，結(jié)合行星科學(xué)的常識(shí)，推測(cè)這些塵?？赡艿拈L(zhǎng)期命運(yùn)。六、恒星級(jí)風(fēng)理論：*核心觀點(diǎn)：塵埃主要源于恒星的恒星風(fēng)，特別是紅巨星和超巨星的外流。塵埃成分反映了恒星自身的化學(xué)組成（受核合成影響），空間分布大致與恒星的輻射流和風(fēng)場(chǎng)相關(guān)。*證據(jù)支持：觀測(cè)到紅超巨星周圍有明顯的塵埃殼層或風(fēng)泡；恒星風(fēng)的速度和動(dòng)量輸出與觀測(cè)到的塵埃分布和豐度有一定關(guān)聯(lián)；塵埃的金屬豐度與恒星的金屬豐度存在相關(guān)性。*適用范圍：主要解釋來(lái)自晚型星和紅超巨星環(huán)境的塵埃，以及毫米級(jí)以上顆粒的來(lái)源。對(duì)于早期主序星，風(fēng)來(lái)源的效率可能較低或塵埃尺度較小。原行星盤殘留理論：*核心觀點(diǎn)：塵埃源于原行星盤，是早期太陽(yáng)系（或其他恒星系統(tǒng)）形成過(guò)程的直接遺留物。塵埃成分可能比恒星風(fēng)塵埃更復(fù)雜，富集了難揮發(fā)性物質(zhì)，并且可能經(jīng)歷了行星形成過(guò)程中的加工和改造。*證據(jù)支持：觀測(cè)到年輕恒星周圍存在原行星盤（塵埃和氣體）；對(duì)星際塵埃的化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)某些特殊成分（如特定類型的有機(jī)分子、富金屬塵埃）可能與行星盤環(huán)境有關(guān)；對(duì)太陽(yáng)系小行星和地核的研究間接支持了早期存在富集塵埃的區(qū)域。*適用范圍：主要解釋來(lái)自年輕恒星周圍的塵埃（特別是近紅外/可見(jiàn)光發(fā)射），以及可能構(gòu)成行星的固體物質(zhì)。其貢獻(xiàn)可能隨距離恒星的距離增加而減少。比較與討論：兩種理論并非完全互斥，可能共同貢獻(xiàn)星際塵埃。恒星級(jí)風(fēng)可以持續(xù)不斷地向星際空間注入塵埃，而原行星盤殘留則可能代表了特定時(shí)期（如太陽(yáng)系形成早期）或特定區(qū)域（如近星區(qū)）的塵埃富集。觀測(cè)證據(jù)（如不同區(qū)域塵埃的金屬豐度、空間分布）有助于區(qū)分和評(píng)估兩種理論的相對(duì)貢獻(xiàn)。解析思路：需要清晰闡述兩種理論的來(lái)源、核心觀點(diǎn)和主要證據(jù)。區(qū)分它們各自解釋的塵埃類型、空間區(qū)域和化學(xué)特征。強(qiáng)調(diào)原行星盤殘留可能代表了更早期或與行星形成直接相關(guān)的塵埃。最后，進(jìn)行比較，指出兩種理論可能存在的共存或補(bǔ)充關(guān)系，并思考如何利用觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估它們各自的重要性。七、在原行星盤中生長(zhǎng)的過(guò)程：*初始階段：星際塵埃顆粒（毫米級(jí)以下，可能來(lái)自恒星風(fēng)或早期宇宙）進(jìn)入原行星盤，受到氣體拖曳力、離心力和磁場(chǎng)力的影響。*碰撞聚集：在相對(duì)“空曠”的區(qū)域或密度較高的盤區(qū)，塵埃顆粒通過(guò)相互碰撞發(fā)生范德華力和靜電力作用，逐漸粘附成更大的顆粒（沙粒級(jí)，厘米級(jí)）。這個(gè)過(guò)程需要足夠的氣體密度和相對(duì)較低的相對(duì)速度。*吸積：較大的塵埃顆粒表面可以吸附氣體分子（主要是H?和He）或冰塊（如果溫度足夠低）。通過(guò)氣體吸積，顆粒質(zhì)量增加，引力增強(qiáng)，有助于克服氣體拖曳力，并可能開(kāi)始向星盤內(nèi)側(cè)螺旋遷移。通過(guò)冰吸積，顆?？梢圆东@揮發(fā)性物質(zhì)，增加成分復(fù)雜度，并可能進(jìn)一步增大。*生長(zhǎng)成星子：隨著顆粒不斷碰撞和吸積，其尺寸和引力越來(lái)越大。當(dāng)達(dá)到一定尺寸（如米級(jí)到公里級(jí)），引力足以克服氣體壓力梯度，顆粒開(kāi)始通過(guò)引力不穩(wěn)定性快速吸積周圍的大量氣體和固體物質(zhì)，形成星子（planetesimals）。物理性質(zhì)和化學(xué)成分的變化：*物理性質(zhì)：塵埃顆粒從光滑的小球逐漸變成粗糙、多孔的星子。密度可能因吸積了不同比例的氣體和冰而變化。形狀也可能因碰撞和旋轉(zhuǎn)而改變。*化學(xué)成分：吸積過(guò)程導(dǎo)致成分發(fā)生顯著變化。通過(guò)吸積氣體，星子獲得太陽(yáng)系的化學(xué)豐度。通過(guò)吸積冰，星子富集了水、氨、甲烷等揮發(fā)性物質(zhì)。這些冰可能在星子內(nèi)部深處保存下來(lái)，成為形成類地行星（如地球）地幔和冰巨行星（如木星、土星）的主要成分來(lái)源。碰撞過(guò)程也可能導(dǎo)致表面物質(zhì)被濺射掉，形成不同的殼層結(jié)構(gòu)。對(duì)行星組成演化的影響：這個(gè)過(guò)程是形成行