2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際介質(zhì)的密度分布與演化考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的首字母填入括號內(nèi)。）1.下列哪一項不屬于通常描述星際介質(zhì)密度的物理量？(A)數(shù)密度(B)質(zhì)量密度(C)體積密度(D)恒星亮度2.在光致電離的HII區(qū)中，決定電子數(shù)密度的主要因素是？(A)星際塵埃的質(zhì)量(B)離子化的恒星紫外光度(C)區(qū)內(nèi)星際氣體的初始金屬豐度(D)區(qū)內(nèi)分子云的覆蓋程度3.與暗星云相比，HII區(qū)的主要特征是？(A)密度極高，主要吸收可見光(B)密度較低，主要發(fā)出可見光(C)由分子和塵埃組成，不透明(D)由電離氫組成，溫度較高4.引力不穩(wěn)定性理論預(yù)言，當(dāng)星際氣體的密度超過某個臨界值（Jeans密度）時，會自發(fā)形成致密核心，這是恒星形成的？(A)最后階段(B)初始條件(C)主要驅(qū)動力(D)觀測結(jié)果5.恒星風(fēng)對星際介質(zhì)的主要影響不包括？(A)提供初始動量，驅(qū)動介質(zhì)運動(B)擴散恒星紫外輻射，改變光致電離邊界(C)直接電離星際氣體(D)壓縮其附近的星際介質(zhì)，形成密度波6.21厘米譜線主要來自哪種粒子的躍遷？(A)電離氫原子(B)中性氫原子(C)電子與原子核(D)分子離子7.超星云通常指的是尺度達(dá)到多少的巨大星際氣體結(jié)構(gòu)？(A)幾個天文單位(B)幾個光年(C)幾百光年(D)幾百萬光年8.塵埃顆粒在星際介質(zhì)中扮演著重要角色，以下哪項描述是錯誤的？(A)塵?？梢晕蘸蜕⑸潆姶泡椛?B)塵埃是分子形成的催化劑(C)塵埃的主要成分是氫氣(D)塵埃的存在有助于冷卻星際氣體9.發(fā)射線星云通常位于HII區(qū)的哪個區(qū)域？(A)核心區(qū)域，電子密度最高(B)HII區(qū)與暗星云的邊界(C)紫外輻射照不到的內(nèi)部區(qū)域(D)HII區(qū)的外圍，電子密度逐漸降低的區(qū)域10.湍流對星際介質(zhì)密度分布的主要影響是？(A)使介質(zhì)密度均勻化(B)提供形成致密核心的隨機擾動(C)增加塵埃的沉降(D)直接加熱星際氣體二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處。）1.描述星際介質(zhì)密度分布時，數(shù)密度的單位通常是______。2.恒星紫外輻射通過______過程電離中性氫原子。3.在星際介質(zhì)中，除了熱運動，______和______也是重要的能量來源。4.射電波段觀測到的21厘米譜線是中性氫原子______和______能級之間躍遷產(chǎn)生的。5.恒星風(fēng)的主要成分是高速運動的______。6.當(dāng)星際氣體云受到外部擾動（如密度波）而壓縮時，如果其壓縮前后的狀態(tài)滿足______臨界條件，則引力會占主導(dǎo)，可能形成恒星。7.HII區(qū)的邊界通常是一個由恒星紫外輻射決定的光致電離______。8.暗星云之所以可見，通常是因為它們部分遮擋了來自______方向的星光。9.星際介質(zhì)的化學(xué)演化研究表明，宇宙中的重元素主要是在______時期由大質(zhì)量恒星產(chǎn)生并散布到星際空間的。10.在密度較高的星際介質(zhì)中，聲波傳播速度______介質(zhì)的當(dāng)?shù)芈曀?。三、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述光致電離模型如何解釋HII區(qū)的結(jié)構(gòu)（密度分布）。2.簡述恒星風(fēng)對星際介質(zhì)密度和結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的影響。3.簡述什么是星際介質(zhì)的Jeans不穩(wěn)定，其對于恒星形成有何意義？4.簡述分子云與HII區(qū)在組成、密度、溫度和可見性等方面的主要區(qū)別。四、計算題（每小題10分，共20分。）1.假設(shè)一個HII區(qū)的電子數(shù)密度n_e=100cm^-3，溫度T=10^4K。已知氫原子質(zhì)量m_H≈1.67x10^-27kg，玻爾茲曼常數(shù)k_B≈1.38x10^-23J/K，電子電荷e≈1.60x10^-19C。請估算該區(qū)域的氫原子數(shù)密度n_H（不考慮離子化）和總質(zhì)量密度ρ（假設(shè)氫氣占主要成分，忽略塵埃和重元素的影響，并取H原子量約為1g/mol，阿伏伽德羅數(shù)N_A≈6.02x10^23mol^-1）。提示：考慮電離平衡和狀態(tài)方程。2.已知一個星際云的密度ρ=100g/cm^3，云的尺度R=1pc，云內(nèi)氣體溫度T=100K。計算該云的質(zhì)量M（假設(shè)氣體是理想氣體，并使用合適的常數(shù)，如引力常數(shù)G≈6.67x10^-11N·m^2/kg^2，1pc≈3.08x10^16m）。請估算其Jeans質(zhì)量M_J（使用公式M_J≈(5k_BTR^3/(Gμm_H))^(1/2)，取平均分子量μ≈1.3）。并簡要說明該云是否處于引力不穩(wěn)定狀態(tài)（與Jeans質(zhì)量比較）。五、論述題（10分。）結(jié)合恒星反饋過程（如紫外輻射、恒星風(fēng)、超新星爆發(fā)沖擊波等），論述恒星活動如何影響其所在區(qū)域的星際介質(zhì)密度分布和演化。試卷答案---一、選擇題1.(D)2.(B)3.(B)4.(B)5.(C)6.(B)7.(D)8.(C)9.(D)10.(B)解析1.數(shù)密度、質(zhì)量密度、體積密度都是描述物質(zhì)分布密度的常用物理量。恒星亮度是描述恒星發(fā)光強弱的物理量，與介質(zhì)密度無直接關(guān)系。2.HII區(qū)的形成主要是由離子的恒星紫外輻射提供的能量電離中性氫原子。紫外光子能量大于氫原子電離能（13.6eV）時，才能將電子從原子中打出，形成自由電子。3.HII區(qū)是由年輕、大質(zhì)量星發(fā)出的強烈紫外輻射電離形成的稀疏區(qū)域，主要發(fā)出來自云外恒星或云內(nèi)發(fā)射線氣體的可見光。暗星云由分子和塵埃組成，塵埃吸收可見光，使其大部分不可見。4.引力不穩(wěn)定性理論認(rèn)為，當(dāng)星際氣體的平均密度超過一個由氣體自身溫度和重力決定的臨界密度（Jeans密度）時，引力作用足以克服氣體內(nèi)部的隨機壓力，導(dǎo)致氣體團塊開始坍縮，這是形成恒星的核心機制之一。5.恒星風(fēng)主要由恒星大氣層高速拋出的質(zhì)子和離子組成。其主要作用是向外輸送能量和動量，驅(qū)動星際介質(zhì)運動，擴散輻射，但不會直接電離星際氣體。6.21厘米譜線是中性氫原子（HI）的電子從自旋朝上的p態(tài)（m_s=+1/2）躍遷到自旋朝下的p態(tài)（m_s=-1/2）時，以光子形式釋放能量產(chǎn)生的，對應(yīng)于氫原子能級結(jié)構(gòu)中的帕邢-鮑曼序列。7.恒星紫外輻射在HII區(qū)中性與電離氣體之間形成一個由輻射強度決定的有效邊界，即光致電離邊界。在這個邊界內(nèi)，紫外輻射足以電離氣體；邊界外，氣體保持中性。這個邊界大致呈圓形或橢圓形，反映了照度隨距離的衰減。8.暗星云之所以在特定波段（如紅外或射電）或特定條件下可見，通常是因為它們部分遮擋了來自背景恒星、星云或銀河系盤面方向的光線（主要是可見光）。9.根據(jù)大爆炸核合成理論和高能天體物理過程（如超新星爆發(fā)、中子星合并）的理論計算，宇宙中的重元素（原子序數(shù)Z>26的元素）絕大部分是在大質(zhì)量恒星演化晚期（如紅巨星、超巨星階段）通過核合成過程產(chǎn)生，并在恒星死亡時（如超新星爆發(fā)）拋灑到星際空間中。10.聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的性質(zhì)，對于理想氣體，當(dāng)?shù)芈曀賑_s=sqrt(k_BT/μ)，其中T是絕對溫度，μ是平均分子量。當(dāng)星際氣體被壓縮時，其溫度會升高，聲速也會隨之增大。題目中描述的是壓縮后的狀態(tài)，因此其聲速應(yīng)大于壓縮前的當(dāng)?shù)芈曀佟６?、填空題1.cm^-32.光致電離3.恒星反饋（或紫外輻射、沖擊波等）,內(nèi)部壓力（或熱壓力）4.基態(tài),激發(fā)態(tài)5.質(zhì)子（或離子）6.理想氣體,重力7.等離子體8.背景9.大質(zhì)量恒星演化晚期（或大質(zhì)量恒星死亡）10.大于解析1.數(shù)密度指單位體積內(nèi)的粒子數(shù)，是描述氣體狀星際介質(zhì)密度最常用的基本單位之一。2.HII區(qū)的形成機制就是恒星紫外輻射與中性氫原子發(fā)生的電離過程。3.星際介質(zhì)能量來源包括氣體自身的熱運動（內(nèi)能）、恒星紫外輻射、超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波、以及可能存在的宇宙磁場和湍流等。4.21厘米譜線源于中性氫原子電子在自旋量子數(shù)m_s=+1/2和m_s=-1/2兩個能級之間的躍遷，這兩個能級都屬于p電子態(tài)，即激發(fā)態(tài)。5.恒星風(fēng)主要由恒星高層大氣高速噴射出的帶電粒子（主要是質(zhì)子、離子）組成。6.Jeans不穩(wěn)定條件描述了氣體云在自身引力作用下能夠發(fā)生坍縮的判據(jù)。理想氣體狀態(tài)方程p=nkT，重力勢能密度-GM^2/r，其中M為云的總質(zhì)量，r為半徑。坍縮發(fā)生需引力勢能主導(dǎo)，即滿足特定條件。題目中給出的公式是Jeans質(zhì)量的表達(dá)式，其物理意義是引力勢能等于氣體壓力能時的質(zhì)量尺度。當(dāng)云的實際質(zhì)量大于Jeans質(zhì)量時，引力占優(yōu)，發(fā)生坍縮；反之，壓力占優(yōu)，趨于膨脹。7.當(dāng)光子能量不足以電離中性原子時，形成的主要是中性氣體區(qū)域。當(dāng)能量足夠強時，原子被電離，形成包含大量自由電子和離子的等離子體區(qū)域，即HII區(qū)。8.暗星云之所以可見，是因為它們擋住了來自其“背后”的明亮天體（如遠(yuǎn)處的恒星、星云或銀河背景光）。9.實驗室和理論研究表明，宇宙中的重元素（比鐵更重的元素）絕大部分是在大質(zhì)量恒星生命晚期（如紅超巨星階段）通過劇烈的核合成過程（如r-process、s-process）產(chǎn)生的，隨后在超新星爆發(fā)或中子星合并等事件中拋灑到星際介質(zhì)中。10.當(dāng)氣體被壓縮時，其溫度T會升高。根據(jù)當(dāng)?shù)芈曀俟絚_s=sqrt(k_BT/μ)，聲速會隨著溫度的升高而增大。題目描述的是壓縮后的狀態(tài)，因此其聲速應(yīng)大于壓縮發(fā)生前的當(dāng)?shù)芈曀?。三、簡答題1.簡述光致電離模型如何解釋HII區(qū)的結(jié)構(gòu)（密度分布）。答：光致電離模型認(rèn)為，來自附近大質(zhì)量年輕恒星的紫外輻射是形成HII區(qū)的能量來源。紫外輻射具有足夠高的能量（>13.6eV）可以電離中性氫原子（HI），產(chǎn)生自由電子和H+離子。在輻射源周圍，紫外輻射強度隨距離平方反比衰減。當(dāng)氣體云內(nèi)部某處的紫外照度足以維持電離與復(fù)合的動態(tài)平衡時，該處形成電離氣體（HII）。在照度足夠強的區(qū)域，所有氫都被電離；在照度減弱的區(qū)域，中性氫（HI）占主導(dǎo)。因此，HII區(qū)通常呈現(xiàn)為一個以輻射源為中心的、邊界模糊的球狀或橢球狀區(qū)域，其內(nèi)部是電離氣體，向外逐漸過渡到中性氣體。區(qū)域的密度分布也受到引力、氣體自身壓力以及可能的湍流等因素的影響，但光致電離邊界是決定其宏觀形狀和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。2.簡述恒星風(fēng)對星際介質(zhì)密度和結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的影響。答：恒星風(fēng)是恒星從其大氣層持續(xù)向外吹出的高速等離子流。它對星際介質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在：1）能量和動量輸送：恒星風(fēng)將恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量和動量輸送到星際空間，可以加熱周圍氣體，驅(qū)動氣體運動，形成風(fēng)泡或膨脹的超星云。2）密度壓縮：恒星風(fēng)流與周圍的星際介質(zhì)發(fā)生相互作用（超音速沖擊或并流），會對介質(zhì)產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，提高其密度和溫度。特別是在風(fēng)與星云邊界處，可以形成致密的逆風(fēng)層或風(fēng)-云界面。3）混合和加速：恒星風(fēng)可以混合星風(fēng)源附近星際介質(zhì)，并將氣體加速到很高的速度，影響星云內(nèi)部的動力學(xué)狀態(tài)。4）改變電離狀態(tài)：風(fēng)中的紫外輻射和帶電粒子可以進(jìn)一步電離或激發(fā)前方的星際氣體，影響HII區(qū)的邊界和結(jié)構(gòu)。3.簡述什么是星際介質(zhì)的Jeans不穩(wěn)定，其對于恒星形成有何意義？答：星際介質(zhì)的Jeans不穩(wěn)定是指當(dāng)一團自引力束縛的氣體云受到微小擾動時，其內(nèi)部的壓力（包括熱壓力和隨機湍流壓力）不足以抵抗自身引力，導(dǎo)致該云塊發(fā)生引力坍縮的現(xiàn)象。判斷Jeans不穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是云塊的質(zhì)量M是否大于其Jeans質(zhì)量M_J。Jeans質(zhì)量M_J是一個由云塊自身溫度T、尺度（通常用半徑R表示）、平均分子量μ和引力常數(shù)G決定的臨界質(zhì)量。當(dāng)M>M_J時，引力占主導(dǎo)，云塊傾向于坍縮；當(dāng)M<M_J時，壓力占主導(dǎo)，云塊傾向于擴散。Jeans不穩(wěn)定性是引力坍縮形成原恒星的核心機制之一。它解釋了為什么并非所有星際云都能形成恒星，只有那些質(zhì)量足夠大（超過Jeans質(zhì)量）的云才會在引力作用下開始收縮，為恒星的形成提供了初始條件。4.簡述分子云與HII區(qū)在組成、密度、溫度和可見性等方面的主要區(qū)別。答：分子云和HII區(qū)是兩種性質(zhì)截然不同的星際介質(zhì)區(qū)域。*組成：分子云主要由低溫（<100K）、高密度的中性原子氣體（HI）和分子（如H_2）組成，塵埃含量通常很高。HII區(qū)則主要由被紫外輻射電離的中性氫（HI）和自由電子組成，是等離子體區(qū)域，分子很少，塵埃被加熱或蒸發(fā)。*密度：分子云的典型密度非常高，可達(dá)數(shù)個數(shù)量級的cm^-3，甚至更高。HII區(qū)的密度通常低得多，一般在10-100cm^-3范圍內(nèi)。*溫度：分子云的溫度非常低，通常在幾K到幾十K。HII區(qū)的溫度相對較高，可達(dá)幾千K（主要是電子的溫度，氣體溫度稍低）。*可見性：分子云本身因高度致密且冷，對可見光吸收強烈，大部分不可見，通常通過觀測其發(fā)出的微波輻射（21cm譜線）、紅外輻射（分子振動轉(zhuǎn)動躍遷）或遮擋背景光源來發(fā)現(xiàn)。HII區(qū)因其電離氣體發(fā)出發(fā)射線（如Hα）或反射來自背景恒星的光而可見。四、計算題1.解：*氫原子數(shù)密度n_H=n_e(中性原子/離子比)。在電離平衡下，對于HI，n_e≈n_H/(2+X)，其中X是金屬豐度（原子數(shù)比）。對于典型的星際介質(zhì)，X≈0.02，則n_H≈n_e/2.02≈100/2.02≈49cm^-3。*總質(zhì)量密度ρ=n_Hm_H/N_A。使用n_H≈49cm^-3，m_H≈1.67x10^-27kg，N_A≈6.02x10^23mol^-1：ρ≈(49x10^6m^-3)x(1.67x10^-27kg)/(6.02x10^23mol^-1)ρ≈8.2x10^-19kg/m^3ρ≈8.2x10^-16g/m^3（或ρ≈(49/2.02)x(1/6.02)x(1.67x10^3)g/m^3≈6.7g/m^3）2.解：*云的質(zhì)量M=ρV=ρ(4/3)πR^3。使用ρ=100g/cm^3=100x10^3kg/m^3，R=1pc=3.08x10^16m：M≈(100x10^3kg/m^3)x(4/3)π(3.08x10^16m)^3M≈(100x10^3)x(4/3)πx(2.91x10^49)m^3M≈1.2x10^55kg*Jeans質(zhì)量M_J=sqrt(5k_BTR^3/(Gμm_H))。使用k_B≈1.38x10^-23J/K，T=100K，R=1pc=3.08x10^16m，G≈6.67x10^-11N·m^2/kg^2，μ=1.3，m_H≈1.67x10^-27kg：M_J=sqrt((5x1.38x10^-23J/Kx100Kx(3.08x10^16m)^3)/(6.67x10^-11N·m^2/kg^2x1.3x1.67x10^-27kg))M_J=sqrt((6.84x10^-21Jx2.91x10^49m^3)/(1.42x10^-37N·m^2·kg))M_J=sqrt(1.99x10^29J·m^3/1.42x10^-37N·m^2·kg)M_J=sqrt(1.40x10^66kg^2·m^2/s^2)M_J≈1.18x10^33kg*比較：M