2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星系統(tǒng)的星云旋轉(zhuǎn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要說明星云角動(dòng)量守恒在行星系統(tǒng)形成過程中的主要體現(xiàn)及其意義。二、描述原行星盤可能存在的兩種主要形成機(jī)制，并簡述其中一種機(jī)制的主要物理過程。三、原行星盤中的物質(zhì)主要由氣體和塵埃組成，請解釋塵埃顆粒如何在氣體中沉降，并說明這對行星早期形成有何影響。四、開普勒速度是指天體在只受中心天體引力作用下運(yùn)行的速度。請寫出開普勒速度的表達(dá)式，并解釋其在原行星盤模型中的重要性。五、簡述行星系統(tǒng)中的“引力遷移”現(xiàn)象，并舉例說明一種可能的引力遷移機(jī)制及其對行星軌道的影響。六、角動(dòng)量轉(zhuǎn)移是行星形成過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。請列舉兩種可能的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移機(jī)制，并簡要說明其工作原理。七、觀測到的一些原行星盤存在明顯的“螺旋密度波”特征，請解釋這可能意味著什么，并簡述其與星盤物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。八、如果一個(gè)原行星盤的初始總角動(dòng)量較大，對其最終形成的行星系統(tǒng)可能會有哪些影響？請從軌道特征或系統(tǒng)成員數(shù)量等方面進(jìn)行闡述。九、簡述目前天文學(xué)上探測系外行星的主要方法，并指出其中哪種方法可能間接反映了行星形成盤中氣體的動(dòng)力學(xué)特征。十、假設(shè)一個(gè)星云云塊具有均勻的初始密度和角動(dòng)量，請推導(dǎo)其坍縮過程中，云塊中心距離（假設(shè)保持球?qū)ΨQ）隨時(shí)間的變化關(guān)系（不必求解具體解，只需列出包含物理量的關(guān)系式即可）。試卷答案一、解析思路：星云角動(dòng)量守恒指在不受外力矩作用下，星云系統(tǒng)的總角動(dòng)量保持不變。在星云向內(nèi)坍縮形成原行星盤的過程中，半徑減小，根據(jù)角動(dòng)量守恒（L=rmv），軌道速度必須增大。這導(dǎo)致大部分角動(dòng)量集中在了旋轉(zhuǎn)的原行星盤中，而不是中心形成的恒星上。盤的形成和演化，以及行星在盤中通過吸積和碰撞增長，都與角動(dòng)量守恒密切相關(guān)，它決定了物質(zhì)不能直接墜入恒星，而是形成圍繞恒星的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。二、解析思路：原行星盤的形成機(jī)制主要有兩種：一是密度波理論（如卡普坦不穩(wěn)定），認(rèn)為在自轉(zhuǎn)星云內(nèi)部，由于存在不均勻性（如密度擾動(dòng)或溫度擾動(dòng)），會激發(fā)出螺旋密度波，波峰處的物質(zhì)密度增加，塵埃顆粒在向內(nèi)螺旋漂移過程中聚集；二是引力不穩(wěn)定性（如愛丁頓不穩(wěn)定），當(dāng)星云的角動(dòng)量足夠大，密度足夠高時(shí)，引力會超過氣體壓力，導(dǎo)致星云發(fā)生局部坍縮，直接形成原行星盤。選擇其中一種，如密度波機(jī)制，則需描述星云自轉(zhuǎn)、密度擾動(dòng)、螺旋波形成、塵埃響應(yīng)與沉降等過程。三、解析思路：塵埃顆粒比氣體分子重得多，受到的引力更大。在原行星盤中，氣體除了受到中心恒星引力外，還受到科里奧利力（由氣體自轉(zhuǎn)產(chǎn)生）的影響，這會使得氣體流動(dòng)產(chǎn)生垂直于盤面的分速度。塵埃顆粒則同時(shí)受到引力和氣體動(dòng)量的拖曳力。在平衡狀態(tài)下，塵埃顆粒會沉降到原行星盤的“雪線”附近（或更低處），形成塵埃盤，其尺度大致由塵埃沉降速度決定。這改變了雪線以內(nèi)物質(zhì)的組成，使得巖石成分更容易在較低緯度、較近距離形成較大的星子。四、解析思路：開普勒速度表達(dá)式為v_k=sqrt(GM/r)，其中G為引力常數(shù)，M為中心天體質(zhì)量，r為天體到中心天體的距離。在原行星盤模型中，盤內(nèi)距離恒星r處的任何小天體（如塵埃顆粒、氣體分子、行星星子），如果僅受恒星引力作用，其軌道速度就應(yīng)為開普勒速度。這為理解原行星盤的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)，實(shí)際盤中物質(zhì)速度會受到盤內(nèi)引力（如由巨行星引起）和氣體拖曳等因素的修正，但開普勒速度是判斷這些修正的參照基準(zhǔn)。五、解析思路：引力遷移是指行星在形成后，通過與其他行星或原行星盤內(nèi)物質(zhì)的引力相互作用，導(dǎo)致其軌道半長軸發(fā)生長期改變的現(xiàn)象。一種可能的機(jī)制是“同向共振捕獲”，即一個(gè)正在形成或運(yùn)行的行星與巨行星（或多個(gè)行星）在軌道上發(fā)生共振（如m:1共振，即目標(biāo)行星公轉(zhuǎn)m圈，巨行星公轉(zhuǎn)1圈），由于引力交換，其軌道會逐漸被穩(wěn)定在一個(gè)共振軌道上，這個(gè)過程可能伴隨軌道的長期遷移。例如，木星對一些內(nèi)太陽系小行星的引力遷移。六、解析思路：角動(dòng)量轉(zhuǎn)移機(jī)制是將行星在原行星盤中獲得的角動(dòng)量傳遞給氣體或移出系統(tǒng)的過程，是行星能夠遷移并達(dá)到最終穩(wěn)定軌道的關(guān)鍵。兩種可能的機(jī)制：1）氣體拖曳（或型星盤風(fēng)）：行星與其軌道附近的氣體發(fā)生動(dòng)量交換，如果氣體速度相對于開普勒速度有差異（如超音速湍流），行星會損失角動(dòng)量并向內(nèi)遷移；2）行星-星子散射：大質(zhì)量行星與盤內(nèi)存在的大量星子發(fā)生引力碰撞，通過近心encounter交換角動(dòng)量和能量，導(dǎo)致行星軌道發(fā)生變化（遷移或改變傾角/偏心率）。七、解析思路：螺旋密度波是在旋轉(zhuǎn)流體（如氣體或塵埃）中傳播的波，其密度沿螺旋線方向增加。在原行星盤中觀測到螺旋密度波，通常意味著存在某種形式的“波驅(qū)動(dòng)力”，這可能是由于：1）內(nèi)稟不穩(wěn)定性（如重力不穩(wěn)定性）；2）外部擾動(dòng)（如大質(zhì)量行星的引力攝動(dòng)）；3）與盤中天體（如星子）的相互作用。這些波的存在表明星盤物質(zhì)并非均勻穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，而是存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)和物質(zhì)聚集過程，可能與行星形成活動(dòng)有關(guān)。八、解析思路：初始星云的總角動(dòng)量越大，意味著物質(zhì)初始旋轉(zhuǎn)速度越快。根據(jù)角動(dòng)量守恒，在坍縮形成恒星和行星系統(tǒng)的過程中，最終系統(tǒng)的總角動(dòng)量也必須與初始角動(dòng)量相當(dāng)。這可能導(dǎo)致：1）形成的行星系統(tǒng)更“扁”（旋轉(zhuǎn)速度更快）；2）行星軌道的平均半徑可能相對較?。?）系統(tǒng)內(nèi)可能更容易形成多個(gè)大質(zhì)量行星，因?yàn)榻莿?dòng)量需要被有效轉(zhuǎn)移出去；4）行星軌道的離散度（間距變化范圍）也可能更大。高初始角動(dòng)量使得角動(dòng)量轉(zhuǎn)移過程更加劇烈和重要。九、解析思路：探測系外行星的主要方法有：凌日法（觀測行星經(jīng)過恒星前方導(dǎo)致的亮度下降）、徑向速度法（觀測恒星受行星引力擾動(dòng)產(chǎn)生的“多普勒搖擺”）、微引力透鏡法等。其中，徑向速度法直接測量的是恒星在行星軌道平面內(nèi)的視向速度變化。行星的引力擾動(dòng)導(dǎo)致恒星圍繞系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，其速度變化與行星的質(zhì)量和軌道周期有關(guān)。雖然不直接測氣體，但通過分析恒星運(yùn)動(dòng)曲線的長期變化，可以推斷出系統(tǒng)的總質(zhì)量、行星質(zhì)量、軌道半長軸等信息，這些信息與原行星盤的動(dòng)力學(xué)特征（如盤的總質(zhì)量、物質(zhì)密度分布）有間接關(guān)聯(lián)，有助于理解行星形成環(huán)境。十、解析思路：設(shè)云塊初始總質(zhì)量為M，初始半徑為R_0，初始總角動(dòng)量為J_0=M*Omega_0*(R_0^5/5)（假設(shè)為均質(zhì)球體，角速度為Omega_0）。云塊坍縮過程中，質(zhì)量M基本不變，半徑r隨時(shí)間t變化。由于角動(dòng)量守恒，J=J_0=M*r^2*Omega。因此Omega=J_0/(M*r^2)。代入J_0的表達(dá)式，得到Omega=(M*Omega_0*R_0^5)/(5*M*r^2)=(Omeg