2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——恒星系外行星的大氣成分探測(cè)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在系外行星大氣成分探測(cè)中，凌日法主要利用了行星穿過(guò)其宿主恒星時(shí)產(chǎn)生的哪種效應(yīng)？A.亮度明顯減弱B.光譜發(fā)生顯著吸收C.星球表面溫度短暫升高D.恒星發(fā)生輕微位移2.下列哪種氣體成分是系外行星大氣中較為普遍的“生物標(biāo)記物”候選者？A.氫氣(H?)B.氦氣(He)C.甲烷(CH?)D.氮?dú)?N?)3.與直接成像法相比，凌日法探測(cè)系外行星大氣的主要優(yōu)勢(shì)在于？A.可以觀測(cè)到行星的直接反射光B.能夠更容易地分辨開(kāi)行星和恒星的光譜C.對(duì)行星與恒星距離要求更近D.成本和觀測(cè)難度通常更低4.導(dǎo)致系外行星大氣中存在顯著溫室效應(yīng)的主要原因是？A.行星接收到的恒星光強(qiáng)過(guò)大B.行星自轉(zhuǎn)速度非?？霤.行星大氣層存在大量二氧化碳(CO?)D.行星質(zhì)量遠(yuǎn)大于其宿主恒星5.“開(kāi)普勒-186f”這類被發(fā)現(xiàn)的系外類地行星，其大氣成分探測(cè)目前面臨的主要挑戰(zhàn)是？A.行星大氣非常稀薄B.行星與恒星距離過(guò)遠(yuǎn)，信號(hào)微弱C.行星表面活動(dòng)頻繁，光譜復(fù)雜D.缺乏足夠靈敏的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)6.在凌日法光譜觀測(cè)中，通過(guò)分析哪種光譜線的變化可以推斷行星大氣中水蒸氣的存在？A.恒星光譜中的吸收線B.行星大氣光譜中的吸收線C.行星大氣光譜中的發(fā)射線D.恒星大氣光譜中的發(fā)射線7.熱木星類系外行星大氣通常表現(xiàn)出高金屬豐度，這主要反映了？A.它們形成時(shí)所在的原行星盤物質(zhì)組成B.它們與宿主恒星之間發(fā)生了物質(zhì)交換C.它們內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生了大量重元素D.它們大氣層存在強(qiáng)烈的化學(xué)循環(huán)8.以下哪項(xiàng)技術(shù)是用于系外行星直接成像，旨在克服“背景星光”干擾的關(guān)鍵裝置？A.光譜儀B.CoronagraphC.望遠(yuǎn)鏡主鏡D.導(dǎo)星鏡9.比較類地行星和氣態(tài)巨行星的大氣成分探測(cè)，一個(gè)顯著的區(qū)別是？A.類地行星大氣主要來(lái)自行星內(nèi)部，而氣態(tài)巨行星大氣主要來(lái)自行星盤B.類地行星大氣成分復(fù)雜，而氣態(tài)巨行星大氣相對(duì)簡(jiǎn)單C.類地行星大氣主要吸收可見(jiàn)光，而氣態(tài)巨行星大氣主要吸收紅外光D.類地行星大氣探測(cè)更容易，因?yàn)樾盘?hào)更強(qiáng)10.JWST相比前代望遠(yuǎn)鏡在系外行星大氣探測(cè)上的主要突破體現(xiàn)在？A.能夠觀測(cè)到更遠(yuǎn)的系外行星B.提供了更高空間分辨率的圖像C.具備更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，減少了儀器噪聲D.擁有更寬的波段覆蓋范圍，特別是紅外波段二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共30分）1.簡(jiǎn)述系外行星大氣成分探測(cè)中，利用光譜線“紅移”現(xiàn)象可以提供哪些信息。2.簡(jiǎn)述凌日法中“大氣透鏡效應(yīng)”的基本原理及其對(duì)大氣探測(cè)的潛在影響。3.簡(jiǎn)要說(shuō)明什么是系外行星的“反照率”（Albedo）？它與大氣成分有何關(guān)系？4.簡(jiǎn)述直接成像法探測(cè)系外行星大氣成分的基本原理。5.簡(jiǎn)述影響系外行星大氣成分探測(cè)精度的關(guān)鍵因素有哪些。6.什么是“熱木星”？它們的大氣成分通常具有哪些顯著特征？三、論述題（每題15分，共45分）1.詳細(xì)論述凌日法光譜探測(cè)系外行星大氣成分的基本過(guò)程，包括需要克服的主要挑戰(zhàn)。2.比較并分析當(dāng)前系外行星大氣成分探測(cè)中最主要的兩種方法——凌日法光譜和直接成像法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。3.探討系外行星大氣成分探測(cè)對(duì)于理解行星形成、演化和宜居性研究的重要意義，并展望未來(lái)可能的技術(shù)發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.B解析：凌日法通過(guò)測(cè)量行星遮擋恒星時(shí)其光度的變化，并分析透過(guò)的星光光譜中出現(xiàn)的吸收線，這些吸收線由行星大氣中的氣體成分引起。2.C解析：甲烷（CH?）本身不是生命必需品，但在類地行星大氣中通常與氧氣（O?）一同出現(xiàn)時(shí)，被視為生命活動(dòng)可能存在的證據(jù)組合（協(xié)同效應(yīng)）。3.B解析：凌日法通過(guò)分析行星遮擋恒星時(shí)透過(guò)的星光光譜變化來(lái)探測(cè)大氣，直接測(cè)量的是行星大氣對(duì)特定波段的吸收，能較好地與恒星光譜區(qū)分開(kāi)。直接成像法需克服背景星光干擾。4.A解析：當(dāng)系外行星距離其宿主恒星較近時(shí)，接收到的恒定星光能量較多，導(dǎo)致行星表面和大氣溫度升高，大氣中的溫室氣體（如CO?,H?O）吸收紅外輻射并向外輻射，加劇溫室效應(yīng)。5.B解析：類地行星距離其宿主恒星較遠(yuǎn)，行星信號(hào)相對(duì)于恒星信號(hào)非常微弱，且信號(hào)傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，使得從地球上探測(cè)其稀薄大氣成分變得極其困難。6.B解析：在凌日法光譜中，恒星光譜本身相對(duì)穩(wěn)定，行星大氣引起的變化體現(xiàn)在其光譜中特定波段的吸收線強(qiáng)度變化，這些吸收線對(duì)應(yīng)于水蒸氣分子吸收特定能量的光子。7.A解析：熱木星形成于較近的行星軌道，其形成過(guò)程主要受所在原行星盤的物質(zhì)影響，因此其大氣中的元素豐度（特別是金屬元素）反映了當(dāng)時(shí)原行星盤的組成特征。8.B解析：Coronagraph（日冕儀）是一種特殊的光學(xué)裝置，能夠模擬日食效果，遮擋住宿主恒星強(qiáng)烈的直射光，從而使得距離較近、亮度較暗的系外行星及其反射光或大氣光可以被成像設(shè)備捕捉到。9.A解析：類地行星主要在原行星盤內(nèi)形成，其大氣成分與形成時(shí)的盤內(nèi)物質(zhì)密切相關(guān)；而氣態(tài)巨行星主要在更外圍、物質(zhì)更豐富的區(qū)域形成，其大氣主要由巨量吸積的盤內(nèi)氣體構(gòu)成。10.D解析：JWST擁有先進(jìn)的紅外觀測(cè)能力，能夠穿透系外行星大氣，探測(cè)其中由分子吸收造成的紅外光譜特征，尤其擅長(zhǎng)研究距離較近、溫度較低的行星大氣，彌補(bǔ)了哈勃等望遠(yuǎn)鏡在紅外波段能力的不足。二、簡(jiǎn)答題1.解析：光譜線的“紅移”是指光譜線在觀測(cè)中向光譜長(zhǎng)波方向（紅端）移動(dòng)的現(xiàn)象。根據(jù)多普勒效應(yīng)，紅移表明該光源（在此指引起吸收的氣體云或整個(gè)行星大氣）相對(duì)于觀測(cè)者正在遠(yuǎn)離。通過(guò)測(cè)量紅移量，可以推算出行星大氣或其整體的運(yùn)動(dòng)速度（例如，由于行星自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)引起）。2.解析：大氣透鏡效應(yīng)發(fā)生在凌日過(guò)程中，當(dāng)行星邊緣掠過(guò)其宿主恒星邊緣時(shí)，行星大氣會(huì)像透鏡一樣輕微地彎曲恒星光線。這種彎曲會(huì)使得通過(guò)行星大氣“視窗”觀測(cè)到的恒星圖像產(chǎn)生輕微的扭曲和放大，可能導(dǎo)致行星光譜信號(hào)在相位上相對(duì)于理想情況產(chǎn)生延遲或展寬，增加了光譜分析的復(fù)雜性。3.解析：反照率是指一個(gè)物體表面反射太陽(yáng)或恒星輻射能量的比例。系外行星的反照率與其表面和大氣層的性質(zhì)有關(guān)。例如，具有云層、冰覆蓋或高氣溶膠含量的大氣層通常具有更高的反照率。大氣成分會(huì)影響云層形成和性質(zhì)，從而影響反照率。反照率本身不直接是大氣成分，但它是影響行星能量平衡和有效溫度的重要因素，間接與大氣特性相關(guān)。4.解析：直接成像法通過(guò)使用強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡和特殊的光學(xué)元件（如Coronagraph）來(lái)直接拍攝系外行星及其反射的星光或自身發(fā)出的光。通過(guò)分析成像設(shè)備捕捉到的行星光譜，可以識(shí)別出其中由行星大氣氣體吸收或發(fā)射產(chǎn)生的特征譜線，從而推斷行星大氣的成分、溫度結(jié)構(gòu)等信息。這種方法主要適用于距離地球較近、亮度較高的熱木星。5.解析：影響系外行星大氣成分探測(cè)精度的關(guān)鍵因素包括：①觀測(cè)儀器的分辨率和靈敏度，決定了能否分辨行星和恒星的信號(hào)以及探測(cè)弱光譜線的能力；②行星與恒星的角距離（即凌日食分），距離越近，信號(hào)對(duì)比度越高，信息越豐富；③行星大氣的物理性質(zhì)，如尺度、溫度、成分均勻性等；④行星大氣與恒星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（視向速度）引起的多普勒效應(yīng)；⑤理論大氣模型與真實(shí)大氣之間的差異。6.解析：熱木星是指距離其宿主恒星非常近的大型氣態(tài)行星，公轉(zhuǎn)周期通常小于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期的10天。它們的大氣成分通常表現(xiàn)出高金屬豐度（相對(duì)于恒星大氣），富含水蒸氣（H?O）、二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）等重元素氣體，且大氣層通常呈現(xiàn)深紅色或棕紅色，可能含有復(fù)雜的有機(jī)分子或沙塵顆粒。這些特征被認(rèn)為與它們靠近恒星、接收大量輻射能有關(guān)。三、論述題1.解析：凌日法光譜探測(cè)系外行星大氣成分的基本過(guò)程如下：首先，當(dāng)系外行星從其宿主恒星前方經(jīng)過(guò)（凌日）時(shí)，會(huì)遮擋住部分恒星光芒，導(dǎo)致恒星亮度發(fā)生周期性短暫下降。通過(guò)高精度的光度計(jì)持續(xù)監(jiān)測(cè)恒星的亮度變化，可以精確測(cè)定行星的凌日參數(shù)（如食分、半深度）。接著，使用配備高分辨率光譜儀的大型望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)凌日時(shí)的恒星光譜。由于行星大氣會(huì)吸收穿過(guò)它的恒星光，并在其光譜中留下特征吸收線，通過(guò)分析這些吸收線的波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度，可以識(shí)別出行星大氣中存在的氣體成分及其相對(duì)豐度。同時(shí)，結(jié)合行星半徑和亮度下降幅度，可以推算出行星的大氣尺度高度和密度。主要挑戰(zhàn)包括：①恒星自身活動(dòng)的干擾（如黑子、耀斑）會(huì)模擬出虛假的行星大氣信號(hào)；②行星信號(hào)極其微弱，需要極高信噪比的觀測(cè)數(shù)據(jù)；③需要精確的行星軌道參數(shù)和大氣模型來(lái)反演大氣性質(zhì)，但模型本身存在不確定性；④對(duì)于類地行星，信號(hào)微弱且大氣稀薄，探測(cè)難度極大。2.解析：凌日法光譜與直接成像法是探測(cè)系外行星大氣的兩種主要方法，各有原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。凌日法光譜原理：利用行星凌日時(shí)遮擋恒星光線，通過(guò)分析透過(guò)的星光光譜中出現(xiàn)的行星大氣吸收線來(lái)探測(cè)大氣成分。優(yōu)點(diǎn)是能夠直接獲取大氣成分信息（特別是對(duì)類地行星），技術(shù)相對(duì)成熟。缺點(diǎn)是只能觀測(cè)到行星凌日時(shí)才可見(jiàn)的大氣信息，觀測(cè)機(jī)會(huì)有限；信號(hào)相對(duì)微弱，主要適用于較近的系外行星（主要是熱木星和部分類地行星）；容易受到恒星活動(dòng)干擾；難以直接探測(cè)大氣密度和溫度的垂直結(jié)構(gòu)。直接成像法原理：利用高分辨率望遠(yuǎn)鏡和Coronagraph等技術(shù)直接拍攝系外行星及其反射光或自身輻射，通過(guò)分析行星光譜來(lái)探測(cè)大氣成分。優(yōu)點(diǎn)是原則上可以觀測(cè)任何類型的系外行星（包括距離較遠(yuǎn)的行星），可以同時(shí)獲取大氣和行星影像信息，可能探測(cè)到大氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。缺點(diǎn)是技術(shù)難度極高，目前主要限于觀測(cè)距離較近、亮度較高的熱木星；觀測(cè)到的光譜線可能受到行星自身光暈和散射光的干擾；對(duì)于類地行星，背景星光極其強(qiáng)烈，大氣難以分辨。適用范圍：凌日法光譜是目前探測(cè)類地行星大氣最有希望的途徑，尤其對(duì)尋找潛在宜居帶行星至關(guān)重要。直接成像法更適合研究熱木星等氣態(tài)巨行星的大氣和行星物理特性。3.解析：系外行星大氣成分探測(cè)對(duì)于理解行星形成、演化和宜居性研究具有極其重要的意義。對(duì)行星形成和演化的理解：通過(guò)探測(cè)不同類型行星（類地、氣態(tài)巨行星）的大氣成分和性質(zhì)，可以反推它們形成時(shí)的原始行星盤物質(zhì)組成和環(huán)境條件，驗(yàn)證行星形成模型（如核心吸積模型、氣體包層模型）；研究大氣層隨時(shí)間演化的歷史，例如大氣逃逸、與恒星的物質(zhì)交換、大氣成分的“清掃”或“注入”過(guò)程等，揭示行星與恒星環(huán)境的相互作用。對(duì)宜居性的研究：尋找系外類地行星大氣中與生命相關(guān)的生物標(biāo)記物（如氧氣和甲烷的協(xié)同出現(xiàn)）是尋找地外生命的關(guān)鍵一步。即使未能直接找到生物標(biāo)記物，探測(cè)大氣成分也有助于評(píng)估行星表面的宜居潛力，例如判斷是否存在液態(tài)水（通過(guò)探測(cè)水蒸氣、云層、反照率等）、了解行星的能量平衡狀態(tài)（通過(guò)溫室