2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際物質(zhì)對(duì)行星系統(tǒng)的遞送機(jī)制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)解釋“星際物質(zhì)”的概念，并列舉其主要組成成分，說明其中一種成分（如星際塵埃或星際氣體）在行星系統(tǒng)形成過程中扮演的關(guān)鍵角色。二、描述恒星風(fēng)如何影響星際塵埃的運(yùn)動(dòng)，并闡述這種影響在將星際物質(zhì)遞送入行星系統(tǒng)過程中可能起到的作用。三、區(qū)別“引力捕獲”和“引力彈道捕獲”兩種物質(zhì)進(jìn)入行星系統(tǒng)軌道的機(jī)制。請(qǐng)?jiān)敿?xì)說明其中一種機(jī)制的具體過程，并指出其發(fā)生的典型條件。四、超新星遺跡產(chǎn)生的沖擊波被認(rèn)為是向行星系統(tǒng)注入物質(zhì)的重要途徑之一。請(qǐng)解釋沖擊波如何加速星際物質(zhì)（包括氣體和塵埃），并討論這種遞送方式對(duì)早期太陽系演化的潛在貢獻(xiàn)。五、簡(jiǎn)述星際分子云（特別是含有水冰等揮發(fā)性物質(zhì)的云）如何通過引力坍縮和后續(xù)的星周盤演化過程，將其內(nèi)部的物質(zhì)遞送到潛在的行星形成區(qū)域。六、在研究星際物質(zhì)對(duì)行星系統(tǒng)的遞送時(shí)，比較分析恒星風(fēng)和超新星風(fēng)作為遞送機(jī)制的異同點(diǎn)。指出這兩種機(jī)制在影響行星大氣層成分和演化方面可能存在的差異。七、隕石，特別是碳質(zhì)球粒隕石，被認(rèn)為是記錄了早期太陽系形成信息的寶貴樣本。請(qǐng)結(jié)合隕石中的特定成分或同位素特征，說明如何利用它們來追溯星際物質(zhì)向行星系統(tǒng)輸入的證據(jù)。八、討論星際物質(zhì)遞送過程對(duì)系外行星系統(tǒng)演化的可能影響。選擇一種特定的遞送機(jī)制（如星際流浪行星的引力相互作用），描述其可能如何改變目標(biāo)行星系統(tǒng)的行星軌道或成分。九、設(shè)想一種觀測(cè)場(chǎng)景，例如通過望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到某個(gè)原行星盤內(nèi)存在異常豐富的星際塵埃，或者觀測(cè)到某系外行星大氣中存在難以解釋的揮發(fā)性物質(zhì)豐度。請(qǐng)?zhí)岢鲆环N可能的解釋，該解釋需要涉及某種星際物質(zhì)遞送機(jī)制，并說明你需要哪些額外的觀測(cè)數(shù)據(jù)來支持你的解釋。試卷答案一、概念：星際物質(zhì)是指位于恒星之間宇宙空間中的各種物質(zhì)和輻射的總稱，主要包含非常稀薄的氣體（以氫和氦為主，以及少量重元素）和固體塵埃顆粒。主要成分：星際氣體、星際塵埃、星際分子、星際離子/電離氣體、宇宙射線等。關(guān)鍵角色（以星際塵埃為例）：星際塵埃顆粒作為凝結(jié)核，是星際氣體中的揮發(fā)性物質(zhì)（如水、氨、甲烷等）凝結(jié)成更大冰粒的基礎(chǔ)，這些冰粒進(jìn)一步匯聚形成行星esimals（星子），是行星形成過程中的關(guān)鍵初始物質(zhì)。同時(shí)，塵埃也參與了星際介質(zhì)的光學(xué)散射和輻射能量傳輸。二、恒星風(fēng)是一種從恒星外層高速流出的等離子體流。其主要影響包括：1.產(chǎn)生壓力：恒星風(fēng)對(duì)星際塵埃施加動(dòng)力學(xué)壓力，可以克服塵埃自身的引力，將其從分子云中吹出，并加速其運(yùn)動(dòng)。2.剝離氣體：高速的恒星風(fēng)可以剝離圍繞年輕恒星的原行星盤內(nèi)的部分氣體，尤其是在恒星風(fēng)與原行星盤相互作用形成的激波區(qū)域，氣體被加熱和加速。3.形成沖擊波：恒星風(fēng)與密度較高的星際云或原行星盤相互作用時(shí)，會(huì)形成沖擊波。沖擊波可以壓縮和加熱星際物質(zhì)，將塵埃粒子加速到很高的速度，甚至將其注入星際空間或傳遞到其他行星系統(tǒng)。遞送作用：恒星風(fēng)通過上述機(jī)制，能夠?qū)⑿请H塵埃從其原始來源地（如分子云）移出，并加速其運(yùn)動(dòng)，使其能夠跨越較大的空間尺度，進(jìn)入或被輸送到行星系統(tǒng)（包括原行星盤）或離開原有系統(tǒng)。三、區(qū)別：*引力捕獲（GravitationalCapture）：指天體（如星際流星體、彗星）在通過恒星或行星引力場(chǎng)附近時(shí)，受到引力作用使其軌道發(fā)生顯著改變，最終被束縛在行星的引力范圍內(nèi)，成為其衛(wèi)星或被吸積。這是一種較為直接和持久的捕獲過程。*引力彈道捕獲（GravitationalSlingshot/GravityAssist）：指一個(gè)較小天體（如星際探測(cè)器、或相對(duì)較輕的星際流浪行星）在高速飛掠一個(gè)質(zhì)量較大的天體（如行星）時(shí)，利用該大天體的引力場(chǎng)改變其速度矢量（增加或減少動(dòng)能，改變運(yùn)動(dòng)方向），從而使其進(jìn)入新的軌道。這個(gè)過程中，天體并未被永久捕獲，只是獲得了能量或動(dòng)量的“助推”，其最終命運(yùn)取決于后續(xù)的引力相互作用。這是一種非直接、短暫的軌道修改過程。詳細(xì)說明（以引力捕獲為例）：天體在行星引力場(chǎng)影響下，其原本的切向速度分量的一部分轉(zhuǎn)化為徑向速度分量，使其向行星靠近。如果天體足夠接近行星，其引力勢(shì)能降低足以克服其初始動(dòng)能（考慮引力束縛能量），并且軌道形狀由拋物線或雙曲線變?yōu)闄E圓，則該天體被捕獲。此過程常發(fā)生在行星形成早期，當(dāng)原行星盤物質(zhì)分布不均或存在密度波時(shí)，更容易發(fā)生捕獲。四、超新星遺跡是超新星爆發(fā)后留下的膨脹膨脹的致密氣體和塵埃殼層。其產(chǎn)生的沖擊波（激波）在膨脹過程中與周圍的星際介質(zhì)相互作用：1.壓縮與加熱：沖擊波前方區(qū)域的物質(zhì)被急劇壓縮和加熱到非常高的溫度和密度。2.加速塵埃：沖擊波前沿的高速度和壓力梯度能夠有效地將塵埃粒子從周圍的星際介質(zhì)中剝離出來，并將其加速到接近沖擊波的速度，甚至更高。塵埃粒子可以被卷入激波層并被攜帶away。遞送作用：這種機(jī)制能夠?qū)碜詮V闊星際空間的物質(zhì)（氣體和塵埃）以很高的速度注入到原本可能較稀疏的原行星盤區(qū)域，或者將物質(zhì)從一個(gè)恒星系統(tǒng)輸送到另一個(gè)恒星系統(tǒng)。對(duì)于早期太陽系而言，來自鄰近超新星爆發(fā)的沖擊波可能為原行星盤注入了額外的重元素和揮發(fā)性物質(zhì)，影響了行星（尤其是類地行星）的組成和行星際介質(zhì)的環(huán)境。五、星際分子云是富含分子（尤其是水冰、氨、甲烷等揮發(fā)性物質(zhì)）的冷dense區(qū)域。其遞送過程如下：1.引力坍縮：當(dāng)分子云內(nèi)部引力超過阻力時(shí)（例如受到密度擾動(dòng)、磁場(chǎng)擾動(dòng)或環(huán)境引力擾動(dòng)），云塊開始引力坍縮，形成原恒星。2.原恒星形成與吸積：坍縮中心形成原恒星，其強(qiáng)大的引力開始從周圍的分子云吸積物質(zhì)。3.原行星盤形成：在原恒星周圍，吸積來的物質(zhì)在角動(dòng)量守恒下形成旋轉(zhuǎn)的原行星盤。4.揮發(fā)性物質(zhì)輸運(yùn)：在原行星盤內(nèi)，溫度梯度驅(qū)動(dòng)揮發(fā)性物質(zhì)（如水冰）向盤面遷移?？拷阈堑膮^(qū)域溫度高，水冰會(huì)氣化蒸發(fā)；而在較外圍區(qū)域，溫度低，水冰可以穩(wěn)定存在。5.遞送到行星形成區(qū)：通過盤內(nèi)的湍流混合、密度波、剪切層等過程，水冰等揮發(fā)性物質(zhì)可以被有效地向原行星盤的內(nèi)圍或中盤區(qū)域輸運(yùn)。這些物質(zhì)在凝聚盤中與巖石塵埃顆粒結(jié)合，是形成類地行星和冰巨行星的重要組成部分。因此，分子云通過引力坍縮和后續(xù)的原行星盤演化，將其攜帶的揮發(fā)性物質(zhì)遞送到了行星形成的活躍區(qū)域。六、異同點(diǎn)：*相同點(diǎn)：兩者都是恒星活動(dòng)（或恒星死亡）產(chǎn)生的能量/物質(zhì)流，都能夠與星際介質(zhì)或行星系統(tǒng)相互作用，并將物質(zhì)從一個(gè)區(qū)域輸送到另一個(gè)區(qū)域，對(duì)星際介質(zhì)和行星系統(tǒng)演化產(chǎn)生影響。*不同點(diǎn)：*來源與性質(zhì)：恒星風(fēng)主要來自主序星和晚型星的外層，是等離子體流；超新星風(fēng)來自超新星爆發(fā)，能量密度更高，成分更豐富（包含大量重元素）。恒星風(fēng)通常持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，超新星風(fēng)是短暫的爆發(fā)事件。*強(qiáng)度與影響范圍：超新星風(fēng)比典型的恒星風(fēng)強(qiáng)度高得多，影響范圍也更廣。*對(duì)行星大氣的影響：*恒星風(fēng)：對(duì)年輕行星（尤其是類地行星）的外逸層有持續(xù)剝離作用，尤其當(dāng)行星磁場(chǎng)較弱時(shí)。它可以將行星大氣中的輕元素（如氫、氦）逐漸吹散，但對(duì)重元素（如氧、氮）的影響相對(duì)較小。恒星風(fēng)與行星大氣的相互作用也可以導(dǎo)致大氣成分的次級(jí)豐度變化。*超新星風(fēng)：在行星形成早期，強(qiáng)烈的超新星風(fēng)可以快速剝離行星盤的原始?xì)怏w，特別是對(duì)內(nèi)側(cè)行星的影響更大。如果行星在超新星爆發(fā)時(shí)期過于靠近遺跡，甚至可能被摧毀。超新星風(fēng)輸入的重元素和揮發(fā)性物質(zhì)可以富集行星的原始組成，并可能影響行星大氣的初始成分和未來演化。七、隕石，特別是碳質(zhì)球粒隕石，被認(rèn)為是太陽系形成時(shí)期（約45億年前）形成的原始物質(zhì)樣品。其中包含的星際物質(zhì)證據(jù)主要有：1.稀有氣體同位素：隕石中包裹體或基質(zhì)含有極其稀有且難以在太陽系內(nèi)產(chǎn)生的氣體同位素，如氬-36（3?Ar）、氦-3（3He）、氖-21（21Ne）、氙-124（12?Xe）等。這些同位素的豐度遠(yuǎn)高于太陽系原生氣體。它們的來源被解釋為早期太陽系盤中捕獲的星際氣體，或者是來自更外部的星際介質(zhì)。2.特定礦物和同位素比值：某些隕石中的特定礦物（如鐵紋石、鎳紋石中的雜質(zhì)）或元素的同位素比值（如鈾-238/鈾-235的比率）與太陽系形成模型預(yù)測(cè)的值存在差異，這些差異也指向了早期盤中存在捕獲的星際物質(zhì)成分。3.有機(jī)分子：隕石中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜有機(jī)分子（如氨基酸、核苷酸前體），其某些同位素組成或結(jié)構(gòu)特征與地球生物合成或太陽系原生來源不完全一致，暗示了部分有機(jī)物可能源于星際介質(zhì)。八、星際流浪行星（自由漂浮的行星）對(duì)系外行星系統(tǒng)演化的影響可能包括：1.軌道擾動(dòng)：流浪行星在通過一個(gè)恒星系統(tǒng)時(shí)，其強(qiáng)大的引力可能會(huì)擾動(dòng)該系統(tǒng)中已存在的行星軌道。這可能導(dǎo)致行星被彈出系統(tǒng)、軌道發(fā)生劇烈變化（如變成橢圓、共振）、甚至發(fā)生碰撞。2.物質(zhì)交換：流浪行星可能與系內(nèi)行星發(fā)生近距離相遇。在極端情況下，可能發(fā)生碰撞，導(dǎo)致行星成分交換（例如，流浪行星被剝離大氣層，或系內(nèi)行星被撞擊獲得物質(zhì)）。3.影響行星系統(tǒng)形成：在行星系統(tǒng)形成的早期階段，流浪行星（或稱為“流浪行星esimals”）可能大量存在。它們之間的引力相互作用可能影響了原行星盤的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)，或者通過引力散射改變了正在形成的行星的軌道。4.引入外部物質(zhì)：流浪行星可能攜帶來自其形成區(qū)域（可能是不同的恒星系統(tǒng)）的物質(zhì)。如果它與目標(biāo)系外行星系統(tǒng)發(fā)生近距離相互作用，可能將外部的揮發(fā)性物質(zhì)或重元素“注入”該系統(tǒng)，從而改變目標(biāo)行星（尤其是冰巨行星）的組成。九、觀測(cè)場(chǎng)景：觀測(cè)到某個(gè)位于太陽系宜居帶的原行星盤內(nèi)，存在異常高豐度的水蒸氣，遠(yuǎn)超由恒星蒸發(fā)和盤內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的預(yù)期值?？赡芙忉專哼@可能暗示了該原行星盤通過某種機(jī)制接收了大量的外部水來源，即星際物質(zhì)遞送。具體機(jī)制可以是：*來自附近分子云的氣體沖擊波：一顆鄰近的晚型星或超新星爆發(fā)的沖擊波可能穿越了該原行星盤，將富含水冰的星際云物質(zhì)注入盤中，當(dāng)水冰到達(dá)盤內(nèi)較溫暖的區(qū)域時(shí)升華成水蒸氣。*星際流浪彗星的撞擊/碎裂：大量來自星際空間的流浪彗星（其本身就攜帶有大量水冰）與該原行星盤發(fā)生碰撞或碎裂，釋放了巨量的水蒸氣到盤中。支持證據(jù)：*