2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星際氣體物理參數(shù)分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題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，測量中性氫（HI）氣體主要密度的最直接和常用的方法是利用其（）。A.21厘米譜線的吸收線B.21厘米譜線的發(fā)射線C.紅外發(fā)射線D.X射線吸收2.下列哪種譜線通常用于診斷星際氣體的高溫狀態(tài)（例如HII區(qū)）？A.21厘米氫譜線（HI）B.氦原子Lymanα線C.氧原子forbiddenlinesD.一氧化碳（CO）譜線3.導致星際氣體云出現(xiàn)紅移和藍移的主要原因是（）。A.氣體內部的湍流運動B.恒星對氣體云的引力作用C.宇宙膨脹D.氣體云相對于觀測者的運動4.在分析星際氣體溫度時，21厘米氫譜線的吸收線通常指示的是（）。A.氣體云的整體平均溫度B.吸收區(qū)域內部不同層次的真實溫度C.氣體云的視向速度D.塵埃加熱主導的區(qū)域5.以下哪種機制是低密度星際氣體主要的冷卻機制？A.分子碰撞B.等離子體發(fā)射線C.黑體輻射（紅外）D.超新星爆發(fā)的沖擊波加熱6.在星際氣體中，由氣體自身的引力維持其密度和形狀的密度尺度被稱為（）。A.音速尺度B.等溫云尺度C.霍伊爾長度D.自引力尺度7.塵埃在星際氣體中起著重要作用，以下哪項不是其主要貢獻？（）A.通過吸收紫外輻射加熱氣體B.通過散射可見光和紅外光導致星際消光C.直接提供主要的冷卻機制D.作為分子形成的催化表面8.當觀測到某個星際氣體區(qū)域存在顯著的多普勒增寬譜線時，這通常意味著（）。A.該區(qū)域氣體非常冷B.該區(qū)域氣體密度極高C.該區(qū)域氣體內部存在高速運動或湍流D.觀測儀器分辨率不足9.射電21厘米譜線觀測到的主要物理量是（）。A.恒星的視向速度B.星際中性氫原子的數(shù)量密度C.星際磁場強度D.星際氣體云的溫度10.比較星際氣體云的氣體壓力和塵埃壓力，通常發(fā)現(xiàn)（）。A.氣體壓力總是遠大于塵埃壓力B.塵埃壓力總是遠大于氣體壓力C.在大多數(shù)情況下兩者大致相等D.只有在分子云中塵埃壓力才重要二、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，溫度低于約70K的氣體通常被稱為________云，其主要冷卻機制是黑體輻射。2.星際氣體中，由氣體溫度和密度決定的聲速表達式為________，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，μ為平均分子量，m*為粒子的平均靜止質量。3.當觀測到星際氣體云具有顯著的自轉時，通常會通過分析譜線在云盤不同位置的多普勒________來推斷。4.能夠吸收特定波長紫外光并隨后以紅外光發(fā)射的分子，被稱為________，它們是探測低溫星際氣體的重要標志。5.射電21厘米譜線對應于氫原子________能級向第一激發(fā)態(tài)躍遷所產生的輻射。6.在星際氣體中，分子（如H?）的形成通常需要塵埃顆粒提供的________環(huán)境，以屏蔽紫外輻射并降低反應活化能。7.描述氣體粒子速度分布的理想化模型是________分布，適用于溫度相對均勻的理想氣體。8.當星際氣體被加熱到數(shù)千開爾文以上時，其主要輻射機制從線冷卻轉變?yōu)開_______輻射。9.測量宇宙空間中的磁場通常利用中性原子（如HI）的________譜線，因為磁場會對原子自旋取向施加作用。10.星際氣體中的壓力梯度是驅動氣體________的主要力。三、計算題（共30分。請寫出詳細的計算過程和結果。）1.（10分）觀測到一分子云，其發(fā)射線COJ=1→0譜線的頻率為115.27GHz。已知CO分子的轉動能級間隔ΔE=6.25×10?23J。請計算該分子云的視線速度。普朗克常數(shù)h=6.626×10?3?J·s，光速c=3.00×10?m/s。2.（10分）一個半徑為0.5pc的星際氣體云，其平均密度為100cm?3。假設云內氣體處于溫度為80K的等溫狀態(tài)。請計算該云體的總氣體質量（以太陽質量M☉為單位，1pc=3.086×101?m，氣體摩爾質量約為1g/mol，理想氣體常數(shù)R=8.31J/(mol·K)）。3.（10分）觀測到一束來自星際氣體云的譜線，其中心頻率為ν?=1420.406MHz，但在云盤邊緣處測得的頻率為ν=1420.412MHz。假設氣體云以徑向速度v正在遠離我們，且相對論多普勒效應可以忽略。請計算氣體云的徑向速度v。光速c=3.00×10?m/s。四、分析題（共30分。請結合所學知識進行分析和闡述。）1.（15分）簡述利用紅外天文衛(wèi)星觀測星際塵埃發(fā)射線（如24μm）可以推斷出哪些星際氣體的物理參數(shù)，并說明其原理和局限性。2.（15分）為什么說分子云是恒星形成的搖籃？請從星際氣體的物理條件（密度、溫度、壓力、磁場等）以及化學演化方面進行闡述。試卷答案一、選擇題1.A2.C3.D4.B5.C6.D7.C8.C9.B10.C二、填空題1.冷2.c2√(kT/μm*)3.位移4.消光分子5.基態(tài)6.密7.麥克斯韋-玻爾茲曼8.黑體9.21厘米（或自旋反轉）10.運動三、計算題1.解：譜線頻率ν=115.27GHz=115.27×10?Hz轉動能級間隔ΔE=hν=6.626×10?3?J·s×115.27×10?Hz=7.64×10?23J根據公式ΔE=kT，其中k=1.38×10?23J/K，T=ΔE/kT=(7.64×10?23J)/(1.38×10?23J/K)≈5.54K視線速度v=c*Δν/ν?，其中Δν=ν-ν?=0(因為J=1→0對應基頻)實際上，這里題目描述可能意圖是頻率有微小變化導致的多普勒效應，或題目本身條件不足以直接計算速度。通常CO譜線用于溫度和密度診斷。若理解為譜線中心頻率ν?，觀測頻率ν，則v=c*(ν-ν?)/ν?。但ΔE與T的關系已明確。若題目意在考察多普勒效應公式應用，需修正題目條件給出ν和ν?的差值。假設題目意圖是考察溫度計算，則結果為5.54K。若需計算速度，需補充ν?與ν的差值。2.解：云體體積V=(4/3)πR3=(4/3)π(0.5pc)3=(4/3)π(0.5×3.086×101?m)3V≈(4/3)π(1.543×101?m)3≈1.439×10??m3氣體數(shù)密度n=100cm?3=100×(10?m?3)=101?m?3氣體粒子數(shù)N=nV=101?m?3×1.439×10??m3=1.439×10??個氣體質量M=N×m*,其中m*是單個粒子的平均靜止質量。題目未給，通常取約1g/mol，1mol≈6.022×1023個粒子。m*≈1g/mol/(6.022×1023個/mol)≈1.66×10?2?kgM≈1.439×10??個×1.66×10?2?kg/個≈2.38×103?kgM(M☉)=M/M☉=(2.38×103?kg)/(1.989×103?kg)≈1.20×10?M☉3.解：多普勒頻移公式為ν=ν?*(1+v/c)（v為源相對觀測者的速度，遠離時為正）v=c*(ν-ν?)/ν?v=(3.00×10?m/s)*[(1420.412-1420.406)×10?Hz/1420.406×10?Hz]v=(3.00×10?m/s)*[0.006/1420.406]v≈(3.00×10?m/s)*4.19×10??≈1.26×103m/s四、分析題1.解：紅外天文衛(wèi)星觀測星際塵埃24μm發(fā)射線可以推斷：a.塵埃溫度：塵埃發(fā)射譜線的峰值波長λ?與溫度T成反比（維恩位移定律λ?T=常數(shù)），通過測量峰值波長可推算塵埃溫度，通常為幾K到幾十K。b.塵埃密度：發(fā)射線的強度與塵埃顆粒數(shù)量密度以及溫度有關。通過分析譜線強度并考慮溫度，可以反推塵埃密度。密度通常在幾至幾百cm?3范圍。原理：星際塵埃顆粒（主要是碳和硅的復合體）吸收了恒星紫外和可見光輻射后，在紅外波段重新輻射能量，24μm是主要的遠紅外發(fā)射峰值。輻射強度與顆粒數(shù)密度、溫度以及吸收的星際輻射場強度有關。局限性：該方法主要探測到塵埃，無法直接測量氣體密度和溫度；塵埃溫度測量易受星際輻射場變化和塵埃不透明度的影響；對于非常致密的區(qū)域，星際輻射可能無法穿透，導致測得的塵埃溫度偏低；譜線輪廓也可能受到氣體動力學效應的影響。2.解：分子云是恒星形成的搖籃，原因如下：a.高密度：分子云具有遠高于普通星際氣體的密度（通常>100cm?3），這使得引力克服氣體壓力變得容易，是引力不穩(wěn)定性發(fā)生、云團開始坍縮的條件。b.低溫：分子云的溫度相對較低（通常10-50K），這降低了氣體分子的運動速度，使得氣體更容易因為引力而聚集。c.高分子豐度