2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際射電波譜線的物理解釋考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述射電天文學(xué)相對(duì)于可見(jiàn)光天文學(xué)在研究宇宙中性氣體方面的優(yōu)勢(shì)。二、解釋中性氫原子（HI）的21厘米譜線是如何產(chǎn)生的。在解釋中說(shuō)明涉及的原子的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，以及躍遷所對(duì)應(yīng)的物理過(guò)程。三、為什么21厘米中性氫譜線常常表現(xiàn)為雙線結(jié)構(gòu)？請(qǐng)?jiān)敿?xì)說(shuō)明其產(chǎn)生機(jī)制，并區(qū)別于譜線分裂（FineStructureSplitting）。四、描述導(dǎo)致星際分子譜線（例如一氧化碳CO譜線）具有寬線型的幾種主要物理過(guò)程，并說(shuō)明每種過(guò)程與譜線寬度的關(guān)系。五、偏振21厘米中性氫譜線包含了關(guān)于星際磁場(chǎng)的重要信息。請(qǐng)解釋偏振的三個(gè)基本參數(shù)（傾角、偏振位相角、偏振度）的物理意義，并簡(jiǎn)述如何利用偏振信息來(lái)確定磁場(chǎng)方向。六、星際介質(zhì)中的水分子（H?O）和氨分子（NH?）常被用作探測(cè)冷暗云和星云核心的探針。請(qǐng)分別說(shuō)明利用這兩種分子譜線可以推斷出星際介質(zhì)中的哪些重要物理參數(shù)，并簡(jiǎn)述其原理。七、在研究銀暈或暗暈中的中性氫時(shí)，觀測(cè)到的21厘米譜線常常存在復(fù)雜的多普勒輪廓，可能包含藍(lán)移和紅移成分。請(qǐng)解釋這種現(xiàn)象的可能物理原因，并討論其對(duì)于理解星系動(dòng)力學(xué)和宇宙學(xué)的重要意義。八、射電波譜線輪廓的形狀（線型函數(shù)）包含了豐富的動(dòng)力學(xué)信息。請(qǐng)解釋多普勒增寬（由氣體自身運(yùn)動(dòng)引起）和引力增寬（由引力場(chǎng)引起）在譜線形狀上的主要區(qū)別。九、一氧化碳（CO）譜線在探測(cè)星云中的分子氫（H?）方面具有重要應(yīng)用，因?yàn)镃O譜線的強(qiáng)度與H?柱密度密切相關(guān)。請(qǐng)解釋CO譜線強(qiáng)度可以用于估算H?柱密度的基本原理，并說(shuō)明這種估算方法可能存在的局限性。十、羥基（OH）譜線常被用于探測(cè)宇宙空間中的水蒸氣。請(qǐng)描述利用OH譜線進(jìn)行水蒸氣探測(cè)的基本原理，并簡(jiǎn)述影響OH譜線強(qiáng)度的主要因素。試卷答案一、射電天文學(xué)能探測(cè)到中性原子（如HI）發(fā)出的21厘米譜線，而可見(jiàn)光波段的吸收線主要源于電離氣體（如HII區(qū)）。中性原子在可見(jiàn)光下不發(fā)光也不吸收可見(jiàn)光，因此使用射電波段是探測(cè)星際中性氣體的主要手段。此外，21厘米譜線受星際塵埃和游離電子的影響較小，信號(hào)傳輸損失小，且具有較長(zhǎng)的穿透能力，能探測(cè)到致密云或銀暈中的人眼不可見(jiàn)的中性氣體。同時(shí)，21厘米譜線的多普勒效應(yīng)使其能精細(xì)地描繪出氣體的空間運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)。二、中性氫原子（基態(tài)，電子自旋平行于核自旋，狀態(tài)記為1S?）吸收一個(gè)能量為10.21MHz對(duì)應(yīng)的電磁光子后，躍遷到激發(fā)態(tài)——帕邢躍遷態(tài)（3P?），此時(shí)電子自旋反平行于核自旋（狀態(tài)記為3P?）。這是一個(gè)自旋軌道耦合允許的躍遷。隨后，原子以輻射一個(gè)10.21MHz的光子的方式從3P?態(tài)衰變回到基態(tài)1S?。這個(gè)特定的躍遷頻率對(duì)應(yīng)于電子自旋和核自旋之間發(fā)生翻轉(zhuǎn)的能級(jí)差，并通過(guò)自旋軌道相互作用實(shí)現(xiàn)。三、21厘米譜線表現(xiàn)為雙線結(jié)構(gòu)（雙線譜線）是由于中性氫原子的自旋量子數(shù)I=1/2，在核磁矩與磁場(chǎng)相互作用下發(fā)生塞曼分裂（Zeemaneffect）的結(jié)果。當(dāng)原子處于外部磁場(chǎng)中時(shí)，其核自旋可以與磁場(chǎng)平行（m_I=+1/2）、反平行（m_I=-1/2）或垂直于磁場(chǎng)（m_I=0）。這導(dǎo)致原本單一的3P?到1S?躍遷分裂為三個(gè)能量略有不同的子能級(jí)躍遷，對(duì)應(yīng)三個(gè)略有不同的頻率，表現(xiàn)為在中心頻率兩側(cè)對(duì)稱分布的三條譜線。通常在觀測(cè)分辨率不高或磁場(chǎng)效應(yīng)不顯著時(shí)，這三條線會(huì)合并成一個(gè)雙線結(jié)構(gòu)。這與譜線分裂（FineStructureSplitting）不同，后者是由原子核本身的質(zhì)量或內(nèi)稟性質(zhì)（如自旋）引起的能級(jí)分裂，不依賴于外部磁場(chǎng)。四、星際分子譜線寬度的來(lái)源主要有：1.多普勒增寬（DopplerBroadening）：由于氣體分子相對(duì)于射電源具有隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)致觀測(cè)到的譜線頻率發(fā)生多普勒頻移，使得譜線在頻率上展寬。譜線寬度與氣體溫度和分子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，溫度越高，運(yùn)動(dòng)速度越快，多普勒增寬越顯著。2.碰撞增寬（CollisionalBroadening/VoigtProfile）：分子之間頻繁的碰撞會(huì)干擾能級(jí)躍遷過(guò)程，導(dǎo)致躍遷時(shí)間變短，譜線變寬。碰撞增寬通常在較高密度下更為重要，且其形狀與多普勒增寬不同（Voigt函數(shù)形狀）。3.引力增寬（GravitationalBroadening）：在強(qiáng)引力場(chǎng)（如致密星團(tuán)、星系中心）中，分子云的不同部分具有不同的引力勢(shì)能，導(dǎo)致分子的絕對(duì)速度不同，從而產(chǎn)生引力增寬。這種增寬通常比多普勒增寬更窄。譜線寬度的具體形狀（是主要由多普勒增寬主導(dǎo)，還是碰撞增寬主導(dǎo)，或是兩者都有）以及其多普勒參數(shù)（線心速度）可以提供關(guān)于氣體溫度、密度、動(dòng)量分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要信息。五、星際磁場(chǎng)的方向可以通過(guò)觀測(cè)21厘米中性氫譜線的偏振來(lái)推斷。*傾角（PositionAngle,PA）：指的是譜線電波束的偏振方向（橢圓長(zhǎng)軸或線偏振方向）在天空平面上的方位角，相對(duì)于某個(gè)參考方向（如銀道面坐標(biāo)或射電源視線方向）。通過(guò)測(cè)量PA，可以確定磁場(chǎng)矢量在天空平面上的投影方向。*偏振位相角（PhaseAngle）：描述了偏振橢圓的旋向（左旋或右旋），與磁場(chǎng)方向和原子運(yùn)動(dòng)方向之間的相對(duì)取向有關(guān)。雖然能提供更多信息，但確定磁場(chǎng)方向主要依賴傾角。*偏振度（PolarizationFraction/DegreeofPolarization）：表示觀測(cè)到的偏振強(qiáng)度占總信號(hào)強(qiáng)度的比例。高偏振度通常意味著磁場(chǎng)與視線方向夾角較小，或者存在特定的磁場(chǎng)配置（如法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)）。偏振度本身不直接給出磁場(chǎng)方向，但可以用來(lái)判斷磁場(chǎng)與視線方向的相對(duì)關(guān)系或驗(yàn)證觀測(cè)條件。六、利用分子譜線（如H?O,NH?）探測(cè)星際介質(zhì)，可以推斷以下重要物理參數(shù)：1.溫度和密度：分子譜線的強(qiáng)度、線寬（多普勒增寬反映溫度和速度，碰撞增寬反映密度）以及自旋溫度、平動(dòng)溫度等都與氣體溫度和密度密切相關(guān)。通過(guò)分析譜線形狀和強(qiáng)度，可以反演出這些參數(shù)。2.柱密度：許多分子（特別是H?O和CO）的譜線強(qiáng)度與其分子柱密度成正比。通過(guò)測(cè)量譜線強(qiáng)度并結(jié)合躍遷的躍遷概率（愛(ài)因斯坦A系數(shù)），可以估算出這些分子的柱密度。例如，CO譜線常被用作“分子探針”來(lái)間接估算H?柱密度，因?yàn)閮烧咴谠S多區(qū)域有相似的豐度比。3.空間分布和結(jié)構(gòu)：分子云通常比HI云更致密、更冷，且分布上可能更不均勻。通過(guò)追蹤不同分子譜線的位置和強(qiáng)度，可以描繪出冷暗云、星云核心、原恒星盤等天體的精細(xì)結(jié)構(gòu)和空間分布。4.動(dòng)力學(xué)狀態(tài)：譜線寬度和形狀可以揭示氣體是處于靜止?fàn)顟B(tài)、有局部運(yùn)動(dòng)，還是受到引力塌縮、旋轉(zhuǎn)或大尺度流動(dòng)的影響。七、觀測(cè)到21厘米中性氫譜線存在復(fù)雜的多普勒輪廓（包含藍(lán)移和紅移成分），通常意味著：1.引力透鏡效應(yīng)：來(lái)自星系團(tuán)或其他大質(zhì)量引力源（如類星體）后方的星系或星系團(tuán)自身引力透鏡作用，會(huì)使來(lái)自不同方向的引力透鏡物體的光線彎曲，導(dǎo)致來(lái)自同一源在不同方向上的21cm信號(hào)出現(xiàn)藍(lán)移和紅移成分疊加。2.非共動(dòng)運(yùn)動(dòng)：銀暈或暗暈中的中性氫可能并非整體隨星系旋轉(zhuǎn)，而是存在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)或不同群體具有不同的運(yùn)動(dòng)模式。例如，潮汐剝離或星系相互作用可能將具有不同速度的氣體注入銀暈，形成紅移和藍(lán)移成分并存的結(jié)構(gòu)。3.宇宙學(xué)信號(hào)（21cm宇宙學(xué)）：在宇宙早期（宇宙重新電離時(shí)期），來(lái)自不同方向的光子經(jīng)歷了不同路徑的湯姆遜散射，其多普勒頻移會(huì)因光源與觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分布在紅移和藍(lán)移區(qū)域。探測(cè)這種信號(hào)是研究宇宙學(xué)的重要途徑。理解這種復(fù)雜的多普勒輪廓對(duì)于區(qū)分不同的物理機(jī)制、揭示銀暈或暗暈的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型至關(guān)重要。八、多普勒增寬和引力增寬在譜線形狀上的主要區(qū)別：1.多普勒增寬：由氣體分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起。譜線輪廓通?？梢杂酶咚购瘮?shù)（Gaussianprofile）或洛倫茲函數(shù)（Lorentzianprofile）近似，其線寬（半高寬FWHM）正比于氣體溫度和分子平均速度的平方根。增寬主要發(fā)生在視線方向的速度分量上，導(dǎo)致譜線展寬，但不改變譜線的中心頻率。在較高分辨率下，多普勒輪廓表現(xiàn)為具有特定多普勒參數(shù)（線心速度V_LSR）的高斯或洛倫茲曲線。2.引力增寬：由強(qiáng)引力場(chǎng)中不同位置氣體分子間的引力勢(shì)能差引起。分子在不同引力勢(shì)能下的絕對(duì)速度不同，導(dǎo)致譜線展寬。引力增寬通常比多普勒增寬窄得多，并且其形狀與多普勒增寬不同（更接近Voigt函數(shù)，但通常更窄）。譜線的多普勒參數(shù)（線心速度）可以近似等于氣體在該引力勢(shì)能下的平均平動(dòng)速度。引力增寬主要出現(xiàn)在致密星團(tuán)、球狀星團(tuán)、星系中心等引力場(chǎng)強(qiáng)的環(huán)境中。九、利用CO譜線強(qiáng)度估算H?柱密度的基本原理是基于觀測(cè)到的CO譜線強(qiáng)度與H?柱密度的正比關(guān)系。CO分子比H?分子更容易被探測(cè)到，因?yàn)镃O是電偶極子分子，可以發(fā)出較強(qiáng)的射電躍遷輻射，而H?是非極性分子，只有通過(guò)純旋轉(zhuǎn)躍遷（如21厘米譜線）才能輻射，且躍遷強(qiáng)度較弱。通過(guò)測(cè)量特定CO譜線（如J=1→0躍遷）的強(qiáng)度，結(jié)合該躍遷的躍遷概率（愛(ài)因斯坦A系數(shù)），可以計(jì)算出CO分子的柱密度（N_CO）。然后，利用在相似環(huán)境下的觀測(cè)結(jié)果或理論模型確定的CO與H?豐度比（X_CO=N_H?/N_CO），可以估算出H?的柱密度（N_H?=N_CO*X_CO）。這種估算方法的局限性包括：1.CO豐度比并非絕對(duì)恒定：不同環(huán)境（溫度、密度、金屬豐度）下的CO與H?豐度比可能存在差異，使用標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)引入誤差。2.CO自吸收：在致密分子云核心，CO分子自身的輻射會(huì)被更致密的云體吸收，導(dǎo)致測(cè)得的CO強(qiáng)度低于實(shí)際值，從而低估H?柱密度。3.CO探測(cè)極限：對(duì)于非常致密或冷的云，CO分子可能凍結(jié)在塵埃上或處于低激發(fā)態(tài)，無(wú)法發(fā)出可探測(cè)的輻射，導(dǎo)致無(wú)法使用CO進(jìn)行估算。4.其他分子的影響：其他比CO更難探測(cè)但豐度更高的分子（如CH?OH）也可能貢獻(xiàn)部分射電信號(hào)，需要校正。十、利用OH譜線探測(cè)宇宙空間中的水蒸氣的基本原理是：OH分子是電偶極子分子，其某些旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷可以在射電波段發(fā)出可探測(cè)的譜線。水蒸氣分子在宇宙空間中（如行星大氣、恒星周包層、星系際空間）存在，并通過(guò)這些躍遷輻射能量。通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)OH譜線的頻率、強(qiáng)度和分布，可以探測(cè)到水蒸氣的存在，并推斷其柱密度、溫度、動(dòng)量等物理參數(shù)。影響OH譜線強(qiáng)度的主要因素包括：1.