2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)。）1.在星際介質(zhì)中，由冷氣體（T~100K）和塵埃組成，密度較高（n>100cm?3），主要含有分子和塵埃顆粒的暗云，其主要加熱機(jī)制是？A.恒星紫外輻射B.X射線背景輻射C.塵埃輻射D.介質(zhì)內(nèi)部碰撞2.在HII區(qū)中，決定其半徑大小的主要因素是？A.包裹星云的密度B.離子化源（如B型星）的紫外光度C.星際塵埃的豐度D.HII區(qū)內(nèi)部的分子形成速率3.下列哪一種冷卻機(jī)制在極低溫（<100K）的星際云中起主要作用？A.C++離子與電子復(fù)合輻射B.氫原子（H）與電子復(fù)合輻射C.氧原子（O）的巴爾默系輻射D.塵埃的輻射冷卻4.分子通過“化學(xué)鏈”機(jī)制形成的關(guān)鍵條件之一是？A.高溫高壓環(huán)境B.存在能高效清除激發(fā)態(tài)分子的第三體（M）C.強(qiáng)烈的紫外輻射D.高密度氣體5.下列哪種分子通常被認(rèn)為是在星際介質(zhì)中形成最復(fù)雜的分子？A.COB.H?OC.CND.NH?6.貢獻(xiàn)星際介質(zhì)主要加熱的X射線來源是？A.本星系群內(nèi)的低質(zhì)量恒星B.銀河系中心超大質(zhì)量黑洞C.泛銀河系X射線背景（diffuseGalacticX-raybackground）D.行星狀星云的紫外風(fēng)7.當(dāng)恒星風(fēng)或超新星爆發(fā)沖擊星際介質(zhì)時(shí)，主要形成哪種類型的區(qū)域？A.分子云B.HII區(qū)C.恒星形成區(qū)D.球狀星團(tuán)8.下列哪一項(xiàng)不是影響星際介質(zhì)冷卻效率的因素？A.氣體密度B.氣體溫度C.化學(xué)組成D.恒星紫外輻射強(qiáng)度9.蒙德極小期（MaunderMinimum）期間太陽活動(dòng)減弱，對(duì)地球之外星際介質(zhì)的主要影響是？A.增加了星際塵埃的形成速率B.提高了星際介質(zhì)的整體溫度C.減少了紫外輻射對(duì)星際介質(zhì)的電離作用D.加速了分子云的碎裂和恒星形成10.奧本海默極限（OppenheimerLimit）描述的是？A.分子形成速率的上限B.恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)的溫度密度條件C.非熱平衡輻射的效率極限D(zhuǎn).恒星風(fēng)啟動(dòng)的密度條件二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上。）1.星際介質(zhì)的主要成分按質(zhì)量計(jì)是______和______。2.使星際氣體電離的主要能量來源是年輕恒星的______輻射。3.分子云中的塵埃顆粒主要通過吸收______輻射而達(dá)到平衡溫度。4.描述氣體因熱壓而能夠抵抗引力坍縮的最小密度稱為______。5.用來描述分子碰撞弛豫過程的物理量是______。6.HII區(qū)的邊界通常被稱為______。7.除了輻射冷卻和電子碰撞冷卻外，星際介質(zhì)中重要的冷卻機(jī)制還包括______冷卻和______冷卻。8.在星際介質(zhì)中，通過______和______兩種主要途徑形成分子。9.恒星形成通常發(fā)生在密度超過______cm?3的分子云核心區(qū)域。10.X射線不僅能電離星際氣體，也能通過______過程加熱塵埃顆粒。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述影響星際介質(zhì)溫度的主要加熱和冷卻機(jī)制。2.簡要解釋什么是分子云的“化學(xué)鏈”機(jī)制及其優(yōu)勢(shì)。3.比較HII區(qū)和分子云中主要的氣體成分及其物理化學(xué)性質(zhì)的顯著差異。4.簡述星際介質(zhì)密度和溫度的典型分布范圍及其大致對(duì)應(yīng)的天體結(jié)構(gòu)。四、計(jì)算題（共20分。）1.（10分）假設(shè)一個(gè)HII區(qū)的半徑為1parsec(pc)，中心有一個(gè)有效紫外光度為103L☉的B型星。已知該區(qū)域的電子密度為100cm?3，星際介質(zhì)的有效吸收不透明度（extinction,τ?）為0.5。計(jì)算從HII區(qū)中心到邊緣，輻射傳遞了大約多少個(gè)光子？假設(shè)每個(gè)光子平均能量為13.6eV，計(jì)算該區(qū)域氣體因輻射吸收而獲得的平均加熱率（能量/單位體積/單位時(shí)間）。(提示：可作簡化估算，如考慮球殼吸收；不要求精確模型)。2.（10分）在一個(gè)密度為100cm?3、溫度為20K的星際云中，計(jì)算氫原子（H）與電子復(fù)合形成氫分子（H?）的（電子束縛）復(fù)合速率常數(shù)（Σ）。已知在該條件下，H+e?→H?+hν的反應(yīng)截面σ(v)≈2.0×10?2cm2，電子平均速度v≈10?cm/s。假設(shè)單位體積內(nèi)電子數(shù)密度n<0xE2><0x82><0x9F>=n?=100cm?3。（忽略第三體的影響）五、論述題（10分。）論述觀測(cè)到的冷卻線（如[OI]λ557.7,[CII]λ157.7）在理解星際介質(zhì)的物理狀態(tài)（溫度、密度）和化學(xué)演化（如恒星形成活動(dòng)）方面的重要性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.D6.C7.B8.D9.C10.D二、填空題1.氫氦2.紫外3.紅外4.Jeans長度5.撞擊頻率或碰撞速率6.等離子體界面或HII區(qū)邊界7.分子慣性8.化學(xué)鏈氣相9.10010.光電三、簡答題1.解析思路：列舉主要的加熱和冷卻機(jī)制，并簡要說明其作用。加熱：主要來自恒星的紫外輻射（電離、加熱）、X射線背景（電離、加熱塵埃）、紅外輻射（加熱塵埃）、碰撞加熱（湍流）。冷卻：主要來自電子與離子/原子的復(fù)合輻射（如H,He,O,C,N）、分子冷卻（如CO,H?O,CN發(fā)射線）、塵埃冷卻（紅外輻射）。2.解析思路：解釋化學(xué)鏈過程：利用過量的、不易被紫外線分解的穩(wěn)定分子（如CH?OH,C?H?OH）作為中間體，捕獲反應(yīng)物（如H,H?）的激發(fā)能，再通過與其他分子或第三體碰撞，將能量以紅外光子形式釋放，從而避免分子被紫外光破壞。優(yōu)勢(shì)：在高紫外區(qū)或低溫區(qū)也能有效形成復(fù)雜分子。3.解析思路：對(duì)比兩者：HII區(qū)（高密度，高溫~10?K，強(qiáng)電離，主要成分H?,e?,H,He*；分子少，主要探測(cè)到H?發(fā)射/吸收線，但受電離影響）。分子云（低密度，低溫~100K，中性，主要成分H?,H,He,塵埃；分子豐富，探測(cè)到多種分子譜線）。關(guān)鍵差異在于溫度和電離狀態(tài)。4.解析思路：描述典型范圍及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)：HII區(qū)：n~103-10?cm?3,T~103-10?K（中心高邊緣低）；存在于年輕恒星周圍。分子云：n~102-10?cm?3,T~10-100K；主要形成恒星的區(qū)域。HII區(qū)與分子云之間的邊界區(qū)域（過渡區(qū)/電離區(qū)）：n較高，T和離子化程度梯度大。球狀星團(tuán)由老年恒星組成，周圍星際介質(zhì)密度通常不高。四、計(jì)算題1.解析思路：*光子數(shù)估算：簡化為球殼模型，光子穿透深度與τ?成正比。從中心到邊緣，輻射大約穿透了τ?≈0.5個(gè)不透明度層，意味著大約傳輸了e??.?≈0.61個(gè)光子（或其能量）。*加熱率估算：每個(gè)光子能量E≈13.6eV=2.18×10?1?J。單位時(shí)間單位面積通過的光子數(shù)N≈L☉/(4πR2)*0.61。吸收功率P_abs=N*E*τ?。單位體積加熱率Q=P_abs/(4/3πR3)。*計(jì)算：Q≈(L☉*2.18×10?1?J*0.5)/(4π*(1pc)*3.086×101?m*4/3π*(1pc)3)≈(0.61*L☉*2.18×10?1?J)/(4π*3.086×102?m3)≈(1.33×10?1?*L☉)/(1.22×1021m3)≈1.1×10?3*L☉/m3。*用L☉=3.25×101?W代入，Q≈1.1×10?3*3.25×101?W/m3≈3.6×101?W/m3。結(jié)果為數(shù)量級(jí)級(jí)別，關(guān)鍵在于理解過程。2.解析思路：*復(fù)合速率Σ=n?*σ(v)*v。代入數(shù)值：Σ=(100cm?3)*(2.0×10?2cm2)*(10?cm/s)=2000cm??s?1。注意單位，1cm??s?1=1m?3s?1。五、論述題解析思路：*冷卻線的作用：冷熱線是高溫氣體（如HII區(qū)或年輕恒星風(fēng)）向外輻射能量、達(dá)到熱平衡的主要方式。每種分子或離子的特定譜線對(duì)應(yīng)著其獨(dú)特的能級(jí)躍遷。*確定物理狀態(tài)：*溫度：不同冷卻線的發(fā)射強(qiáng)度與氣體溫度密切相關(guān)（如Saha方程定性關(guān)系，或更復(fù)雜的冷卻函數(shù)）。通過測(cè)量多條冷卻線的強(qiáng)度，可以反推氣體的溫度。例如，[OI]λ557.7在較熱（~8000K）的氣體中更強(qiáng)，[CII]λ157.7在更冷（~10?K）的氣體中是主要的冷卻劑。*密度：某些冷卻線的發(fā)射線型（如帕邢-背伯線型）對(duì)氣體密度敏感。通過分析譜線的線型輪廓，可以估計(jì)氣體的電子密度或中性氣體密度。*化學(xué)演化：冷熱線主要形成于溫度較高的區(qū)域（如HII區(qū)邊緣、年輕恒星周圍、AGN噴流沖擊區(qū)）。觀測(cè)到這些冷卻線，特別是那些通常只在恒星形成活躍區(qū)才大量存在的分子（如HCN,H?O），表