2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——地外行星上的生命形式探索考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪種方法是目前發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的方法？A.直接成像法B.微引力透鏡法C.徑向速度法D.開普勒望遠(yuǎn)鏡法2.定義行星宜居帶時(shí)，最主要考慮的因素是？A.行星的自轉(zhuǎn)周期B.行星的表面重力C.恒星提供的能量是否足以維持液態(tài)水的存在D.行星大氣的成分3.在討論地外生命時(shí)，“生物標(biāo)志物”（Biosignature）通常指的是？A.行星表面的城市燈光B.行星大氣中由生命活動產(chǎn)生的特定化學(xué)物質(zhì)或光譜特征C.行星上存在高等智慧文明的證據(jù)D.行星與恒星的距離4.以下哪種氣體，如果單獨(dú)在大氣中大量存在，通常被認(rèn)為是強(qiáng)效溫室氣體？A.氮?dú)猓∟?）B.氧氣（O?）C.甲烷（CH?）D.氦氣（He）5.詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在探測地外行星生物標(biāo)志物方面的主要優(yōu)勢在于？A.能夠直接成像所有類型的系外行星B.具有極高的地面分辨率C.能夠分析系外行星大氣成分的精細(xì)光譜D.成本低于之前的任何望遠(yuǎn)鏡6.“維特效應(yīng)”（VenusEffect）是指？A.金星大氣逆向自轉(zhuǎn)的現(xiàn)象B.行星軌道傾角過小導(dǎo)致氣候極端化的效應(yīng)C.類地行星距離其恒星過近，被強(qiáng)烈烤焦的現(xiàn)象D.行星失去磁場后，大氣被恒星風(fēng)剝離的現(xiàn)象7.生命存在的最基本化學(xué)前提通常被認(rèn)為是？A.存在液態(tài)水B.行星擁有濃厚的大氣層C.恒星是穩(wěn)定的G型主序星D.行星表面溫度高于水的冰點(diǎn)8.與地球大氣不同，火星大氣的主要成分是？A.氮?dú)夂脱鯕釨.氬氣和二氧化碳C.氫氣和氦氣D.氧氣和氬氣9.如果在系外行星大氣中探測到高濃度的氧氣和甲烷共存，科學(xué)家會傾向于認(rèn)為？A.該行星一定不存在生命B.該行星極有可能存在生命C.這只是太陽活動引起的暫時(shí)現(xiàn)象D.該行星的大氣層化學(xué)循環(huán)非?；钴S但與生命無關(guān)10.探測地外生命存在的最大挑戰(zhàn)之一是？A.我們?nèi)狈ψ銐蜢`敏的望遠(yuǎn)鏡B.地外生命可能以我們完全無法想象的形式存在C.恒星活動會干擾我們的觀測D.真空環(huán)境對生命探測設(shè)備構(gòu)成威脅二、填空題（每空1分，共15分）1.利用恒星亮度周期性變化來探測行星的方法稱為________法。2.行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)的軌道平面稱為________平面。3.能夠支持液態(tài)水存在的行星軌道區(qū)域被稱為________。4.在行星大氣光譜中，由生命活動產(chǎn)生的________和________是最常被研究作為潛在生物標(biāo)志物的氣體。5.目前人類探測地外行星最常用的方法是________法和________法。6.木星的衛(wèi)星________被認(rèn)為是太陽系中除地球外最有可能存在生命（尤其是微生物）的地方。7.“費(fèi)米悖論”指的是________與________之間的矛盾。8.除了液態(tài)水，構(gòu)成生命所需的另一項(xiàng)基本要素是可供生命呼吸的________。9.伽利略首次通過望遠(yuǎn)鏡觀測到木星的四顆大型衛(wèi)星，這一發(fā)現(xiàn)支持了________。10.由于光的________效應(yīng)，來自遙遠(yuǎn)系外行星的光譜會受到其大氣層的影響。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述開普勒望遠(yuǎn)鏡和徑向速度法在探測系外行星方面的基本原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。2.解釋什么是“宜居帶”，并說明除了恒星類型和行星距離，還有哪些因素會影響一個行星是否真正宜居。3.什么是生物標(biāo)志物？為什么探測生物標(biāo)志物是尋找地外生命的關(guān)鍵？列舉兩種可能的生命和非生命來源的生物標(biāo)志物。4.列舉至少三種可能阻礙生命在類地行星上起源或演化的因素。四、論述題（每題10分，共20分）1.詳細(xì)論述詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在尋找地外行星生命方面相較于之前的望遠(yuǎn)鏡有哪些關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢，并舉例說明這些優(yōu)勢如何幫助科學(xué)家更有效地尋找和驗(yàn)證生物標(biāo)志物。2.假設(shè)我們探測到一顆位于太陽系宜居帶的類地行星，其大氣成分分析顯示含有氧氣、二氧化碳和水蒸氣。請分析這種大氣組成可能意味著什么，討論其可能存在的生命跡象以及需要進(jìn)一步觀測和驗(yàn)證的方向，并說明存在非生物成因的可能性。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.C6.C7.A8.B9.B10.B二、填空題1.徑向速度2.軌道3.宜居帶4.氧氣,甲烷5.徑向速度,直接成像6.木衛(wèi)二(Europa)7.生命,智慧文明8.能量來源（或氧氣）9.地心說10.多普勒三、簡答題1.開普勒望遠(yuǎn)鏡法：原理是長期監(jiān)測恒星亮度的微小周期性變化，當(dāng)行星經(jīng)過恒星前方時(shí)會引起恒星視亮度的暫時(shí)下降。優(yōu)點(diǎn)是原則上可以測量行星的質(zhì)量和軌道周期，對任何類型的行星都適用。缺點(diǎn)是只能探測到靠近恒星的行星，且需要長時(shí)間觀測才能獲得明確信號，無法直接成像，也無法直接分析行星大氣。徑向速度法：原理是探測由于行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的恒星自身的“紅移”和“藍(lán)移”。優(yōu)點(diǎn)是可以測量行星的質(zhì)量（通過探測恒星的速度擾動），對較遠(yuǎn)行星也相對敏感。缺點(diǎn)是主要適用于較靠近恒星的行星，且難以直接測量行星的大小和大氣成分，觀測設(shè)備要求高。2.宜居帶：指的是圍繞恒星運(yùn)行、理論上可能允許液態(tài)水存在的行星軌道范圍。除了恒星類型和行星距離，影響行星宜居性的其他因素包括：行星的質(zhì)量和半徑（決定表面重力、大氣保留能力）；行星的自轉(zhuǎn)（影響氣候均一性、產(chǎn)生磁場）；大氣層的成分和厚度（決定地表溫度、抵御輻射能力）；行星的磁場（保護(hù)大氣層和表面生命免受恒星風(fēng)和宇宙射線傷害）；是否存在小行星和彗星撞擊的威脅等。3.生物標(biāo)志物：指的是在行星（尤其是其大氣或表面）上觀測到的，由生命活動產(chǎn)生或與生命活動緊密相關(guān)的特定化學(xué)物質(zhì)、光譜特征或物理現(xiàn)象。探測生物標(biāo)志物是尋找地外生命的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兝碚撋暇哂歇?dú)特性，與非生物過程產(chǎn)生的特征可區(qū)分（盡管存在挑戰(zhàn)）。生命和非生命來源的生物標(biāo)志物示例：生命來源：氧氣（O?）、甲烷（CH?）的特定組合（如火星上的某些觀測）、一氧化二氮（N?O）、硫化氫（H?S）等；非生命來源：氧氣可由強(qiáng)風(fēng)化作用產(chǎn)生，甲烷可由地質(zhì)活動（如火山）或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，二氧化碳是火山活動的主要?dú)怏w。4.阻礙生命起源或演化的因素：行星軌道過于不穩(wěn)定導(dǎo)致環(huán)境劇烈變化；缺乏液態(tài)水或液態(tài)水不穩(wěn)定存在；大氣層過薄或成分不適合生命生存（如缺乏保護(hù)性臭氧層）；缺乏足夠且穩(wěn)定的能量來源（如恒星不穩(wěn)定、缺乏地質(zhì)活動）；強(qiáng)烈的太陽或宇宙輻射（無有效磁場和大氣保護(hù)）；頻繁的小行星或彗星撞擊；行星運(yùn)行于“焦木帶”或“烤面包帶”，溫度極端；行星缺乏必要的化學(xué)元素和有機(jī)分子等。四、論述題1.JWST在尋找地外行星生命方面的關(guān)鍵優(yōu)勢及其作用：*紅外探測能力：JWST工作在紅外波段，能夠穿透系外行星濃厚的大氣層，直接分析其大氣成分的光譜。這使其能夠探測到那些位于“類地宜居帶”但可能大氣覆蓋（如類似地球的溫室效應(yīng)或熱失控）的行星，而光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常只能看到行星反照率或溫度。*高分辨率光譜：JWST擁有極高的光譜分辨率，能夠?qū)碜孕行谴髿獾男盘柵c來自恒星的信號更清晰地分離開，從而更準(zhǔn)確地分析行星大氣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，識別出潛在的生物標(biāo)志物。*探測更冷、更遠(yuǎn)的行星：紅外觀測使得JWST能夠探測到距離母恒星更遠(yuǎn)、溫度更低的行星，這些行星的宜居帶更寬，增加了可觀測的目標(biāo)數(shù)量。*探測大氣云層：JWST的分辨率足以觀測到行星大氣中的云層結(jié)構(gòu)，這對于理解行星的整體氣候和大氣動力學(xué)至關(guān)重要。*綜合觀測能力：JWST不僅是光譜儀，還能進(jìn)行成像和其他類型的觀測，為研究行星系統(tǒng)提供更全面的信息。*舉例：JWST正在嘗試對一些已知的“可疑”系外行星（如TOI-1452b,K2-18b）進(jìn)行大氣光譜觀測，以尋找生物標(biāo)志物或確認(rèn)其宜居潛力。其高分辨率光譜有助于區(qū)分是生命活動還是非生物過程導(dǎo)致了觀測到的氣體組合。2.分析探測到含氧氣、二氧化碳和水蒸氣的類地行星大氣：*可能意義：這種大氣組合在理論上可以通過非生物過程產(chǎn)生（如早期地球的火山活動釋放CO?和O?，水蒸氣由火山或水升華提供），但也為存在生命提供了可能性。氧氣是生命呼吸作用的主要產(chǎn)物，而二氧化碳和水蒸氣是光合作用所需的原料。它們的共存，特別是如果其比例與地球歷史上的某些階段相似，可能暗示著存在活躍的地質(zhì)化學(xué)循環(huán)和潛在的光合生物活動。*生命跡象討論：如果這種組合確實(shí)是由生命（如藍(lán)細(xì)菌）通過光合作用維持的，那么氧氣和二氧化碳的比例可能會受到光合作用速率、光照強(qiáng)度、水蒸氣濃度等多種因素的影響，呈現(xiàn)出與非生物平衡不同的特征（例如，在白天光照強(qiáng)時(shí)，光合作用消耗CO?產(chǎn)生O?，可能導(dǎo)致大氣垂直分層）。探測這種動態(tài)變化或非平衡狀態(tài)可能為存在生命提供更強(qiáng)的證據(jù)。需要進(jìn)一步觀測其光譜隨時(shí)間的變化（如果可行）、大氣垂直結(jié)構(gòu)、行星表面溫度分布等。*非生物成因可能性：必須