2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星際物質的化學成分研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內）1.在星際介質中，以下哪種氣體成分通常被認為是在宇宙大爆炸中形成的，并且豐度相對穩(wěn)定？()A.氫分子(H?)B.氧原子(O)C.氮分子(N?)D.重元素離子(如Fe?)2.以下哪種天文觀測波段最適合用于探測星際空間的原子氫（HI）云？()A.紅外線B.可見光C.射電波D.X射線3.星際介質中的分子云通常呈現暗淡且難以直接觀測，其主要原因是？()A.分子云密度極高，遮擋了背景星光B.分子云主要吸收可見光，輻射較弱C.分子云中的分子不發(fā)光D.分子云主要發(fā)出射電波，人眼不可見4.下列哪一種天文現象是恒星紫外輻射激發(fā)星際介質中分子發(fā)生電離的典型例子？()A.巴耳末系吸收線B.H?α譜線發(fā)射C.分子束的遠紅外發(fā)射D.蒸發(fā)星云中的發(fā)射線5.星際塵埃對射電波的散射效應顯著，這主要是由于塵埃顆粒具有哪些特性？()A.高溫高壓B.金屬成分C.相對較大的尺寸和特定的電學性質D.高密度分布6.下列哪種分子通常被認為是星際介質中最豐富的有機分子？()A.氨(NH?)B.甲烷(CH?)C.氧化碳(CO)D.乙炔(C?H?)7.在研究星際有機分子時，微波譜線觀測扮演著重要角色，這是因為？()A.大多數有機分子在微波波段有強烈的振動-轉動譜線B.微波輻射穿透力強，可探測到被塵埃遮擋的區(qū)域C.微波儀器成本低廉，易于部署D.微波譜線只對離子態(tài)分子敏感8.下列哪個天文區(qū)域通常被認為是恒星形成活動最活躍的場所，并且富含年輕的恒星和復雜的星際化學成分？()A.蒸發(fā)星云(HIIRegions)B.分子云核心(GiantMolecularCloudCores)C.際星云(IntergalacticMedium)D.行星狀星云(PlanetaryNebulae)9.際空間（IntergalacticMedium,IGM）的化學成分與典型的星際介質相比，通常具有什么特征？()A.氫氣和氦氣以中性原子形式存在為主B.包含豐富的重元素（金屬）豐度，接近宇宙的原始豐度C.主要由分子云組成D.充滿了高溫、稀薄的電離氣體10.光致電離（Photoionization）是星際介質中重要的一類化學過程，其主要驅動因素是？()A.星際塵埃的輻射B.恒星發(fā)出的紫外輻射C.隕石撞擊產生的沖擊波D.星際磁場的作用二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.星際介質中除了氣體和塵埃之外，還普遍存在各種__________，它們是構成行星和生命的重要物質基礎。2.用來探測星際分子云中水冰存在的典型紅外特征譜線是來自__________分子的強吸收。3.星際介質中的化學反應主要受__________、__________和輻射場（如UV、X射線）的控制。4.由于星際介質對來自背景光源（如恒星）的__________有強烈的吸收，導致分子云在可見光波段看起來黑暗。5.射電天文學在探測星際分子方面取得了巨大成功，例如首次探測到氨(NH?)分子的射電譜線是在__________年。6.評價一種星際探測方法時，需要考慮其__________（能否探測到目標）、__________（探測靈敏度）和__________（對環(huán)境干擾的敏感性）等指標。7.碳鏈分子（如乙炔C?H?、丙炔C?H?）在星際空間中相對較豐，它們的形成通常與__________等物理化學條件有關。8.分子云中的氣體主要以__________（HI）和__________（H?）的形式存在，其中分子氫是構成分子云的主要氣體成分。9.當恒星風或超新星爆發(fā)沖擊分子云時，會產生__________，這是恒星形成的前奏階段。10.X射線觀測對于研究高溫、高密度星際氣體（如__________）以及探測星際塵埃的吸收效應至關重要。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出簡潔、準確、專業(yè)的解釋）1.蒸發(fā)星云(HIIRegion)2.分子云核心(GiantMolecularCloudCore)3.光化學反應(PhotochemicalReaction)4.微波譜線(MicrowaveLine)5.金屬豐度(Metallicity)四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡明扼要地回答下列問題）1.簡述恒星紫外輻射在激發(fā)星際介質中分子形成過程中的作用。2.比較星際原子氣體（HI云）和分子氣體（H?云）在主要物理性質（如溫度、密度、輻射狀態(tài)）上的顯著差異。3.解釋為什么紅外天文學對于探測星際介質中的冰和有機分子非常重要。4.簡述射電波譜線如何為我們提供關于星際氣體運動（如速度、密度）和化學成分（如分子種類、豐度）的信息。五、論述題（10分。請結合所學知識，深入、全面地回答下列問題）討論觀測星際有機分子的主要挑戰(zhàn)，并闡述不同觀測窗口（如微波、紅外、遠紅外）在克服這些挑戰(zhàn)時所發(fā)揮的作用及各自的優(yōu)缺點。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.D5.C6.C7.A8.B9.B10.B二、填空題1.隕星物質(或星際塵埃顆粒/小行星碎片)2.水合羥基自由基(H?O?)(或水分子H?O，但H?O?更特指該紅外特征)3.溫度，密度4.可見光5.1968(或1932，首次探測分子，但1968年是氨分子的重要發(fā)現年)6.探測能力，靈敏度，抗干擾能力7.低溫，密集8.中性原子氫，分子氫9.蒸發(fā)星云(或HIIRegion/恒星形成區(qū))10.超高溫氣體(或蒸發(fā)星云/HIIRegion)三、名詞解釋1.蒸發(fā)星云(HIIRegion)：由熾熱恒星（通常是O型或B型星）發(fā)出的強紫外輻射電離了周圍的中性氫原子云形成的區(qū)域，其主要特征是富含H?離子和中性粒子。2.分子云核心(GiantMolecularCloudCore)：分子云中密度最高、溫度最低、尺度相對較小的區(qū)域，是恒星形成的主要場所，通常富含各種星際分子和星際塵埃。3.光化學反應(PhotochemicalReaction)：指星際介質中的化學反應由恒星（主要是年輕熾熱恒星）發(fā)出的紫外輻射或X射線等高能光子引發(fā)的過程。4.微波譜線(MicrowaveLine)：指星際空間中的某些分子（如H?O,NH?,CH?CN等）在微波波段發(fā)射或吸收的由分子振動和轉動能級躍遷引起的譜線，這些譜線可用于探測星際分子云。5.金屬豐度(Metallicity)：在天文學中，通常指除了氫和氦之外的所有重元素（在宇宙化學上統(tǒng)稱為“金屬”）的相對豐度，常用比太陽金屬豐度的比值（[X/Fe]）來表示。四、簡答題1.恒星紫外輻射提供化學反應所需的激發(fā)能量。對于分子形成，紫外輻射可以電離前體原子（如H,C,N,O），這些電離態(tài)的原子可以通過光化反應或電荷轉移過程與中性原子結合形成分子。同時，紫外輻射也能直接激發(fā)某些分子的振動和轉動能級，導致其向更高能級躍遷，并在退激發(fā)時產生光輻射（如微波譜線），這是探測星際分子的主要手段之一。2.原子氣體（HI云）：通常溫度較高（幾百度K），密度較低（幾個到幾個百厘米?3），主要由中性氫原子組成，整體呈電離或部分電離狀態(tài)，主要吸收可見光和射電波。分子氣體（H?云）：通常溫度較低（幾十K），密度很高（幾十到幾十萬厘米?3），主要由分子氫（H?）組成，其中性分子對可見光吸收強（使其在可見光下呈暗淡狀），但在射電波段透明，并且是多種復雜有機分子的家園。3.星際介質中的冰和有機分子通常吸附在星際塵埃顆粒表面。這些化合物主要在低溫區(qū)域形成并穩(wěn)定存在。紅外輻射（特別是中紅外和遠紅外波段）能夠有效地激發(fā)這些吸附在塵埃上的分子的振動和轉動能級，導致強烈的吸收特征。因此，通過觀測這些紅外吸收線或發(fā)射線，我們可以探測到冰和有機分子的存在、豐度及其物理化學環(huán)境信息。4.射電波譜線源于星際氣體中分子的振動和轉動能級躍遷所產生的微波輻射。通過分析譜線的頻率（與分子種類和運動狀態(tài)有關）、強度（與分子豐度和溫度有關）和寬度（與氣體運動速度和碰撞有關），我們可以確定氣體中存在的分子種類、化學豐度、溫度、密度以及氣體的速度場（如線速度、視向速度、湍流速度等）信息。五、論述題觀測星際有機分子面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，有機分子通常在低溫、富含碳和氮的環(huán)境中形成，這些環(huán)境往往也是塵埃密度高的區(qū)域，導致星光難以穿透，使得探測變得困難。其次，許多有機分子在微波波段具有較弱的譜線強度，需要高靈敏度的射電望遠鏡和長時間觀測才能探測到。第三，星際空間存在大量水汽、氨等強射電源，它們產生的微波譜線可能掩蓋或混淆目標有機分子的信號。第四，有機分子譜線可能與來自天文臺的射電干擾或大氣噪聲相混淆。此外，分子的自吸效應對強線源的影響以及譜線寬度的測量等都增加了分析的復雜性。不同觀測窗口在克服這些挑戰(zhàn)中扮演著不同角色。微波窗口（主要指1-100GHz）是探測星際有機分子的主要窗口，尤其對于簡單分子如CH?CN、HCN、HCO?等效果顯著，但其受大氣水和射電干擾影響大，且對復雜大分子的探測靈敏度有限。紅外窗口（主要指幾微米到幾十微米）對于探測星際冰和復雜有機分子（如含氧、含氮、含硫化合物）至關重要，因為許多有機分子的振動-轉動譜線位于紅外波段，且紅外輻射可以穿透部分塵埃。特別是遠紅外（>30微米）波段，是探測冷塵埃和冰的“窗口”，也是確認復