2025年大學(xué)《天文學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——星際塵埃介導(dǎo)的輻射過(guò)程考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述星際塵埃的主要組成成分及其對(duì)可見(jiàn)光和紅外光的吸收與散射特性有何不同。二、解釋什么是米氏散射，并說(shuō)明為什么星際塵埃在可見(jiàn)光波段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的散射作用，而在紅外波段吸收占主導(dǎo)。三、描述恒星通過(guò)星際塵埃時(shí)會(huì)發(fā)生哪些主要的光學(xué)效應(yīng)，并解釋這些效應(yīng)的物理原因。四、闡述星際塵埃在分子云中扮演的關(guān)鍵角色，至少列舉三種塵埃介導(dǎo)的過(guò)程及其對(duì)分子云物理性質(zhì)的影響。五、對(duì)比熱輻射和共振散射兩種塵埃的遠(yuǎn)紅外發(fā)射機(jī)制，說(shuō)明它們產(chǎn)生的光譜特征有何差異，以及各自對(duì)應(yīng)的主要發(fā)射體。六、解釋反射星云（如船底座η星云）呈現(xiàn)特定顏色的原因，并說(shuō)明其光學(xué)性質(zhì)與致密發(fā)射源（如HII區(qū)）周?chē)南∈鑹m埃云有何不同。七、描述紅外天文觀測(cè)在研究星際塵埃方面的重要意義，并舉例說(shuō)明如何利用紅外觀測(cè)區(qū)分不同類(lèi)型的塵埃。八、解釋星際塵埃的輻射壓如何影響行星狀星云的形態(tài)，并簡(jiǎn)述這種壓力與恒星紫外輻射和塵埃自身熱輻射的關(guān)系。九、描述PAHs（碳?xì)浠衔铮┰谛请H介質(zhì)中的作用，并解釋為何它們?cè)诩t外光譜中表現(xiàn)出特定的發(fā)射特征。十、假設(shè)在一個(gè)新的分子云區(qū)域，觀測(cè)到其遠(yuǎn)紅外發(fā)射顯著增強(qiáng)，但可見(jiàn)光消光相對(duì)較低，請(qǐng)分析這可能暗示該區(qū)域星際塵埃的哪些特性（如大小分布、揮發(fā)物含量等）。試卷答案一、星際塵埃主要組成：硅酸鹽、碳（石墨、無(wú)定形碳）、冰（水冰、氨冰等）及其他金屬元素。吸收特性：塵埃對(duì)紫外光吸收強(qiáng)，隨波長(zhǎng)增加吸收逐漸減弱，但在紅外波段（特別是遠(yuǎn)紅外）某些復(fù)雜分子（如PAHs）和冷卻的石墨塵埃仍有顯著吸收。散射特性：可見(jiàn)光波段塵埃顆粒大小與光波相當(dāng)，發(fā)生強(qiáng)烈的米氏散射，導(dǎo)致星光變暗、紅移和閃爍。紅外波段塵埃顆粒通常比光波大，散射減弱，吸收作用更顯著，且散射偏振性增強(qiáng)。二、米氏散射：當(dāng)散射粒子尺度與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)或稍大時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，且散射方向強(qiáng)烈依賴(lài)于入射光波長(zhǎng)和散射粒子取向的散射效應(yīng)。星際塵埃顆粒尺度（微米級(jí)）與可見(jiàn)光/近紅外波長(zhǎng)（納米級(jí)）相當(dāng)，發(fā)生米氏散射?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)較短，散射截面大，導(dǎo)致可見(jiàn)光被強(qiáng)烈散射；紅外波長(zhǎng)較長(zhǎng)，散射截面小，吸收成為主要過(guò)程。三、光學(xué)效應(yīng)：1.視線方向變暗（消光）：塵埃吸收和散射星光，導(dǎo)致沿視線方向觀測(cè)到的星等降低。2.顏色變化/紅化：散射比吸收更偏紅的光子（波長(zhǎng)較長(zhǎng)），導(dǎo)致來(lái)自塵埃包裹恒星的星光在遠(yuǎn)離視線方向看起來(lái)比來(lái)自視線方向更紅。3.星光閃爍：星光通過(guò)不均勻的塵埃云時(shí)發(fā)生折射，導(dǎo)致星光快速、隨機(jī)地閃爍。物理原因：塵埃對(duì)光線的吸收、散射改變了光路和光子能量/波長(zhǎng)分布。四、塵埃角色：1.冷卻分子云：塵埃吸收星光或星際背景輻射（特別是紫外輻射），然后通過(guò)熱輻射（主要在遠(yuǎn)紅外）將能量向外空間散失，使分子云的溫度降低，有利于分子形成和穩(wěn)定。2.保護(hù)分子：塵埃顆粒表面可以吸收高能紫外輻射，保護(hù)其內(nèi)部的分子（如CH?,H?O）免受電離和分解，為復(fù)雜有機(jī)分子合成提供有利環(huán)境。3.化學(xué)反應(yīng)表面：星際塵埃表面如同催化劑，促進(jìn)氣體分子間的表面反應(yīng)，如形成復(fù)雜有機(jī)分子（包括PAHs）和星際高分子。五、熱輻射：塵埃因自身溫度（主要來(lái)自吸收的外部輻射）而發(fā)射紅外輻射，發(fā)射譜型接近黑體輻射，峰值波長(zhǎng)隨溫度降低而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（維恩位移定律）。主要發(fā)射體是處于溫度較高的區(qū)域（如年輕恒星周?chē)哪贻p塵埃包、行星狀星云的熱塵埃殼）。共振散射：塵埃對(duì)特定振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷的遠(yuǎn)紅外光子（如CH?D,H?CO等分子）發(fā)生強(qiáng)烈的選擇性吸收，然后重新輻射出相同波長(zhǎng)的光子。主要發(fā)射體是具有豐富振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的分子云。六、反射星云呈色：呈現(xiàn)藍(lán)色。原因：星云中的塵埃顆粒主要散射來(lái)自附近致密HII區(qū)恒星的高能紫外和可見(jiàn)光。根據(jù)米氏散射，散射效率與波長(zhǎng)平方成反比，短波長(zhǎng)的藍(lán)光比長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光散射更強(qiáng)烈，因此從側(cè)面觀察反射星云時(shí)，我們主要接收到被強(qiáng)烈散射的藍(lán)光。光學(xué)性質(zhì)差異：致密HII區(qū)周?chē)鷫m埃云通常較稀疏，塵埃顆粒間距離較大，散射效應(yīng)相對(duì)較弱，且可能被HII區(qū)紫外輻射分解成更小的顆粒，吸收特性也不同。七、紅外觀測(cè)意義：1.穿透可見(jiàn)光塵埃遮蔽：許多天體（如隱匿星系核、年輕恒星、分子云核心）被厚的塵埃層遮蔽，無(wú)法在可見(jiàn)光波段觀測(cè)，但塵埃自身熱輻射或PAHs發(fā)射的遠(yuǎn)紅外輻射可以穿透塵埃，提供觀測(cè)窗口。2.探測(cè)低溫物質(zhì)：星際塵埃是主要的遠(yuǎn)紅外輻射源，通過(guò)探測(cè)遠(yuǎn)紅外輻射可以確定星際介質(zhì)（尤其是分子云和行星狀星云）的溫度分布和塵埃含量。3.研究塵埃性質(zhì)：不同類(lèi)型的塵埃（熱塵埃、冷塵埃、PAHs）在紅外光譜中有不同的特征發(fā)射峰值，利用紅外觀測(cè)可以區(qū)分和定量分析塵埃的成分、大小分布和演化狀態(tài)。八、輻射壓影響：輻射壓是指光子攜帶動(dòng)量，被物體吸收或反射時(shí)對(duì)其施加的推力。在行星狀星云中，中心晚型恒星發(fā)出強(qiáng)烈的紫外輻射，對(duì)周?chē)膲m埃顆粒產(chǎn)生輻射壓。這種壓力足以將較輕的塵埃顆粒從星云核心區(qū)域吹散，形成向外擴(kuò)展的、相對(duì)稀疏的快風(fēng)區(qū)，其速度可達(dá)數(shù)百公里/秒。同時(shí)，來(lái)自星云內(nèi)部自身熱輻射和紫外輻射與恒星紫外輻射之間的平衡，決定了塵埃所在區(qū)域的局部壓力環(huán)境，影響塵埃的分布和星云的整體形態(tài)。九、PAHs作用：PAHs是星際介質(zhì)中常見(jiàn)的復(fù)雜碳?xì)浞肿樱诩t外波段（特別是3.3和11.3微米）有特征發(fā)射帶。它們?cè)谛请H介質(zhì)中扮演多重角色：1.作為星際化學(xué)演化中的中間體和最終產(chǎn)物，與生命起源密切相關(guān)。2.作為有效的紫外輻射吸收體，有助于保護(hù)分子云中的小分子，促進(jìn)更復(fù)雜有機(jī)分子的形成。3.作為塵埃顆粒的“種子”，可以通過(guò)聚合小分子而增長(zhǎng)。4.其紅外發(fā)射是探測(cè)星際塵埃中復(fù)雜有機(jī)成分的重要標(biāo)志。十、區(qū)域特性分析：遠(yuǎn)紅外發(fā)射顯著增強(qiáng)可能意味著該區(qū)域塵埃溫度較高（熱塵埃含量增加）或塵?？偭看?。但可見(jiàn)光消光相對(duì)較低則暗示塵埃顆?？赡茌^稀疏，或者塵埃被分解成更小尺寸（小顆粒散射可見(jiàn)光效率低），或者該區(qū)域包含大量不散射可見(jiàn)光的冰塵。結(jié)合這兩點(diǎn)，可能暗示該區(qū)域存在：1.一部分溫度相對(duì)較高的塵埃（如年輕恒星近旁的塵埃），其遠(yuǎn)紅外熱輻射強(qiáng)，但