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高考申論題 114年 [天文] 太陽系

第 一 題

📖 題組：
在上個世紀，天文學家大都相信，太陽系應該不是我們銀河系中唯一的一個行星系統。不過卻一直苦於沒有直接觀測證據。請問：
📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

天文學家 Wolszczan 和 Frail 是在那一年終於首次確認發現太陽系外的行星（系外行星）的存在？這些圍繞著一顆中子星主星運行的系外行星是以何種方法發現的？（5 分）

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本題考查系外行星觀測史的重大里程碑。看到「Wolszczan 和 Frail」及「中子星」等關鍵字，應立即聯想到 1992 年針對脈衝星 PSR B1257+12 的觀測，並精確點出其專用的觀測技術「脈衝星計時法」。

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  1. 發現年份：1992 年（Aleksander Wolszczan 與 Dale Frail 於該年正式發表論文確認）。
  2. 發現方法：脈衝星計時法（Pulsar timing method）。 ・原理說明：中子星（特指脈衝星）會發射出極度規律的電磁脈衝訊號。當脈衝星系統中存在行星時，行星的重力會牽引脈衝星，使其繞著系統的共同質心運動，從而產生微小的週期性位移。此位移會導致脈衝訊號到達地球的時間產生微小且週期性的「提前」或「延遲」。藉由精確測量脈衝到達時間（Time of Arrival, ToA）的異常變化，天文學家即可反推並確認系外行星的存在及其軌道參數。

小題 (二)

天文學家馬約爾和奎洛茲（Mayor 和 Queloz）又是在那一年首次發現繞行矮恆星的系外行星？這顆距地球 15.5 pc 的系外行星繞行之主星光譜類型和名字為何？這顆系外行星是以何種方法發現的？（10 分）

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看到此題，應立即聯想到系外行星觀測史上的里程碑事件——1995年飛馬座51b的發現，此亦為2019年諾貝爾物理學獎的獲獎標的。解題時需準確命中三個核心資訊：發現年份（1995）、主星名稱與光譜型（飛馬座51，G型黃矮星），以及觀測方法（徑向速度法/都卜勒法）。

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【破題】 米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）與迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）的發現是系外行星探索史上的重大里程碑，首度證實了類太陽恆星周圍存在行星系統，兩人亦因此貢獻榮獲2019年諾貝爾物理學獎。 【論述】

小題 (三)

馬約爾和奎洛茲憑藉此項發現獲得了 2019 年諾貝爾物理學獎。為什麼諾貝爾獎是頒給馬約爾和奎洛茲，而非第一個發現系外行星的 Wolszczan 和 Frail？（10 分）

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解題關鍵在於比較兩組科學家所發現行星之「母恆星」性質的根本差異。考生應點出 Wolszczan 等人發現的是圍繞死亡恆星「脈衝星」的行星，而 Mayor 與 Queloz 則是發現首顆圍繞「類太陽恆星（主序星）」的系外行星，後者對傳統行星形成理論造成衝擊，並開啟了尋找宜居行星與地外生命的全新天文學紀元。

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【破題】 諾貝爾獎頒發給 Michel Mayor 和 Didier Queloz，核心原因在於他們發現了首顆圍繞「類太陽恆星（主序星）」運行的系外行星，這與此前發現的「脈衝星」行星在科學意義與後續影響上有著本質的差異。 【論述】

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