2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——恒星生命周期的理論模型考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內）1.觸發(fā)星際介質引力坍縮的主要能量來源通常是（）。A.恒星風壓力B.星際磁場C.附近超新星爆發(fā)的沖擊波D.分子云內部自身引力不穩(wěn)定性2.主序星的主要能量來源是（）。A.核聚變產生氦B.核聚變產生碳C.氫燃燒成氦的核心收縮釋放的能量D.引力勢能的釋放3.恒星離開主序階段的主要標志是（）。A.核反應速率突然停止B.核反應突然變得極不穩(wěn)定C.核心氫耗盡，核心開始收縮，外層膨脹D.恒星質量突然急劇減小4.對于主序星，其質量越大，則其主序壽命（）。A.越長B.越短C.與質量無關D.先變短后變長5.導致紅巨星表面溫度降低的主要原因是（）。A.核反應速率急劇增加B.恒星體積急劇膨脹C.核心物質迅速流失D.金屬豐度顯著提高6.在恒星演化過程中，氦閃現(xiàn)象主要發(fā)生在（）。A.所有類型恒星的核心B.主序星階段C.質量小于2倍太陽質量的恒星核心D.質量大于2倍太陽質量的恒星核心7.質量介于太陽和8倍太陽質量之間的恒星，在其生命末期最終會演化成（）。A.中子星B.黑洞C.白矮星D.超新星遺跡8.超新星爆發(fā)的主要能量來源是（）。A.核燃料的完全聚變B.核燃料的驟然凍結C.鐵核心的引力坍縮及其引發(fā)的反沖沖擊波D.恒星外層物質被拋射時的動能9.白矮星的主要組成物質是（）。A.氦B.氫C.碳和氧D.重元素10.根據(jù)當前的恒星演化理論，白矮星最終會（）。A.通過吸積物質重新開始核聚變B.逐漸輻射掉內部能量，變成黑矮星C.因內部不穩(wěn)定性發(fā)生災難性爆炸D.被引力坍縮成中子星二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.恒星內部維持引力平衡和能量平衡的關鍵機制分別是__________和__________。2.主序星的光度和表面溫度與其質量大致遵循__________關系。3.恒星生命歷程中，從核心氫燃燒到碳燃燒的階段，對于質量小于約8倍太陽質量的恒星來說，通常發(fā)生在__________階段。4.“切倫科夫極限”在恒星演化中通常指__________，即白矮星的最大質量不能超過__________（單位：倍太陽質量）。5.高質量恒星在其演化后期會經歷一系列快速的重核聚變階段，最終產物是富含__________的原子核。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述恒星內部核反應如何產生能量，并說明這些能量是如何傳輸?shù)胶阈潜砻娴摹?.簡要比較質量為1倍太陽質量和10倍太陽質量的兩顆恒星在主序階段的主要區(qū)別。3.解釋什么是“恒星風”，并說明恒星風對低/中等質量恒星和高質量恒星演化的影響有何不同。4.為什么觀測到的大量紅巨星主要分布在赫羅圖的上主序區(qū)域，而主序帶相對較窄？四、計算題（每題10分，共20分）1.已知一顆主序星的質量為5倍太陽質量，其主序壽命約為太陽主序壽命的1/10。假設其主序階段主要進行質子-質子鏈反應，試估算該恒星核心氫燃燒的效率（即有多少初始質量最終轉化為氦）。（提示：可利用質子-質子鏈反應的大致能量輸出比例）2.一顆8倍太陽質量的恒星演化到晚期，其核心變?yōu)樘佳鹾诵?，半徑約為太陽半徑的100倍，表面重力加速度約為太陽表面重力加速度的10倍。估算該恒星此刻核心的平均密度（以克/立方厘米為單位）。（提示：可利用萬有引力定律和牛頓引力與重力的平衡關系）---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.B6.C7.C8.C9.C10.B二、填空題1.流體靜力平衡，能量輸運2.近似反比3.紅巨星4.白矮星的最大質量，1.45.重元素三、簡答題1.解析思路：核反應（如質子-質子鏈或CNO循環(huán)）將輕核（如氫）聚變成較重核（如氦），過程中發(fā)生質量虧損，根據(jù)愛因斯坦質能方程E=mc2，這部分虧損的質量轉化為了巨大的能量。能量首先以高能光子（伽馬射線）形式在核心產生，然后通過輻射區(qū)（光致電離、復合）和對流區(qū)（攜帶熱量）進行復雜的輸運，最終以可見光、紅外線、紫外線等形式從恒星表面輻射出去。2.解析思路：主要比較初始質量對核心溫度、核反應速率、主序壽命、最終命運的影響。質量大的恒星，核心引力壓強更大，需要更高的核心溫度和壓力才能維持流體靜力平衡，導致核反應速率更快，單位時間內消耗氫更多；因此主序壽命更短。質量大的恒星核心能持續(xù)進行更重的元素燃燒，最終可能形成中子星或黑洞；質量小的恒星則只能燃燒到碳氧核心，最終形成白矮星。3.解析思路：恒星風是指恒星從表面持續(xù)向外拋射物質形成的稀薄氣流。對低/中等質量恒星，恒星風相對較弱，主要在演化后期（紅巨星階段）顯著，導致質量損失，影響其最終成為白矮星的性質（如質量、半徑）；對高質量恒星，恒星風非常強勁，從主序階段就開始存在，并在演化過程中導致持續(xù)的質量損失，這不僅影響其演化速度和軌道，也是其最終可能成為較輕中子星或黑洞的原因之一。4.解析思路：主序帶代表所有正在進行穩(wěn)定氫核心燃燒的恒星。紅巨星是核心氫耗盡、外層膨脹變冷的恒星，它們已經離開了主序。觀測到的紅巨星主要集中在赫羅圖上主序帶上方靠近紅端的區(qū)域，這是因為它們雖然溫度降低，但光度（能量輸出）遠高于主序星，符合其核心收縮加熱外層和體積膨脹降溫的物理圖像。主序帶相對較窄，是因為恒星的光度和溫度與其質量有明確且近似反比的關系，在赫羅圖上對應的點密集分布。四、計算題1.解析思路：利用主序壽命與質量的反比關系，可以估算5倍太陽質量恒星的總能量輸出（總光度）是太陽的50倍（(1/10)*5=0.5倍壽命對應的光度比）。質子-質子鏈反應中，約6.7%的氫質量最終轉化為氦質量。因此，能量輸出與質量虧損大致成正比。若假設總能量輸出與總質量虧損成正比，則該恒星氫燃燒效率約為初始質量的6.7%/50=0.134%，即初始質量的13.4%轉化為氦。這是一個粗略估算，實際效率受反應路徑細節(jié)影響。2.解析思路：假設恒星處于流體靜力平衡狀態(tài)，核心表面的重力與向外的壓力（或引力）相等。核心半徑R和表面重力加速度g的關系可以通過萬有引力近似：g=GM/R2，其中M是核心質量，G是引力常數(shù)。對于處于流體靜力平衡的恒星，核心內部的壓力梯度大致與重力平衡，可以近似認為核心內部各處重力加速度與表面重力加速度成正比，即g_core≈g_surface*(R_surface/R_core)2。題目給出R_surface/R_core=100，g_surface/g_sun=10。因此，g_core≈g_sun*10*(100)2=g_sun*10^5。核心平均密度ρ=M/V=M/(4/3*π*R3)。結合g=GM/R2，得到ρ≈3g/(4πGR)。將g_core和R_core代入，并使用太陽重力加速度g_sun和太陽引力常數(shù)G_sun、太陽半徑R_sun進行單位換算（G_sun*M_sun/R_sun2=g_sun），最終可得ρ≈3*(10*10^4*g_sun)/(4π*G_sun*M_sun*10^2/R_sun)≈(10*10^6/10^2)*(3*g_sun*R_sun)/(4π*G_sun*M_sun)≈10^5*(3*R_sun/(4π*G_sun*M_sun))*g_sun≈10^5*1*g_sun(忽略π和比例常數(shù)近似)≈10^5*274m/s2