2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——脈沖星脈沖信號特征考試時間：______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(nèi)）1.脈沖星發(fā)出的射電脈沖信號主要是由于：(A)恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的光子(B)脈沖星星體表面的熱輻射(C)帶電粒子在脈沖星強(qiáng)磁場中做曲線運(yùn)動時發(fā)出的同步輻射(D)脈沖星磁場捕獲的星際氣體碰撞產(chǎn)生的輻射2.下列哪一項不是脈沖星脈沖信號的主要觀測特征？(A)窄的脈沖寬度（通常毫秒量級）(B)隨頻率升高而增強(qiáng)的頻譜(C)脈沖到達(dá)時間的精確測量能力(D)脈沖幅度隨觀測地點經(jīng)度的變化3.脈沖星信號通過不均勻的星際介質(zhì)傳播時，其主要表現(xiàn)為：(A)脈沖幅度衰減(B)脈沖形狀變得模糊，脈沖寬度隨頻率升高而增加(C)脈沖頻率發(fā)生漂移(D)脈沖出現(xiàn)周期性中斷4.脈沖星計時（PulsarTiming）的主要目的是利用脈沖星精確的脈沖到達(dá)時間（TOA）來研究：(A)脈沖星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(B)星際介質(zhì)的電子密度分布(C)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和太陽系行星的軌道參數(shù)(D)脈沖星的磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5.脈沖星閃爍現(xiàn)象主要是由下列哪個因素引起的？(A)脈沖星自身磁場的變化(B)脈沖星信號在穿越地球大氣層時受到的擾動(C)脈沖星信號在穿越磁場不均勻的星際介質(zhì)時受到的擾動(D)脈沖星自轉(zhuǎn)速度的緩慢變化6.當(dāng)觀測頻率較低時，脈沖星的射電脈沖信號通常表現(xiàn)出：(A)更尖銳的脈沖輪廓(B)更寬的脈沖輪廓(C)更強(qiáng)的信號強(qiáng)度(D)更弱的信號強(qiáng)度7.脈沖星的時間抖動（TimingJitter）主要是指：(A)脈沖星自轉(zhuǎn)頻率的長期漂移(B)脈沖星自轉(zhuǎn)軸指向的長期進(jìn)動(C)單個脈沖到達(dá)時間的隨機(jī)微小變化(D)脈沖星磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變化8.毫秒脈沖星（MSP）與普通脈沖星相比，其主要特點是：(A)自轉(zhuǎn)周期更長（秒級）(B)自轉(zhuǎn)周期更短（毫秒級）且具有高精度的軌道運(yùn)動(C)磁場強(qiáng)度更低(D)脈沖信號更寬9.脈沖星脈沖的偏振信息主要可以用來研究：(A)脈沖星的距離(B)脈沖星表面的溫度(C)脈沖星磁場的方向和強(qiáng)度(D)星際介質(zhì)的磁場方向10.快速射電暴（FRB）與普通脈沖星脈沖相比，其最顯著的不同點是：(A)頻率更低(B)脈沖寬度極短（毫納秒級）(C)重復(fù)性好(D)發(fā)射機(jī)制與脈沖星相同二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.脈沖星信號通常在射電波段（______MHz到______GHz）被探測到。2.由于星際介質(zhì)的影響，脈沖信號強(qiáng)度會隨頻率升高而______，脈沖寬度會隨頻率升高而______。3.脈沖星計時陣列（PTA）通過監(jiān)測大量毫秒脈沖星的______變化來探測空間引力波。4.脈沖星脈沖輪廓的______是指脈沖強(qiáng)度隨脈沖相位的變化。5.脈沖星在磁場不均勻區(qū)域穿行時，其脈沖信號強(qiáng)度和相位會隨機(jī)______，這種現(xiàn)象稱為脈沖星閃爍。6.脈沖星自轉(zhuǎn)的角速度用______表示，其倒數(shù)是______。7.脈沖星發(fā)出的脈沖信號在傳播過程中會與星際介質(zhì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致信號能量向更______的頻率轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象稱為______。8.脈沖星的射電寧靜度是指其脈沖信號強(qiáng)度與背景射電源強(qiáng)度的______。9.測量脈沖星脈沖到達(dá)時間（TOA）的精度可以達(dá)到______量級。10.脈沖星脈沖的偏振態(tài)通常用其______和______來描述。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述同步輻射機(jī)制如何解釋脈沖星射電脈沖的產(chǎn)生。2.簡述脈沖散度（DispersionMeasure,DM）的物理意義及其單位。3.簡述脈沖星計時（PulsarTiming）技術(shù)的基本原理及其主要應(yīng)用。四、計算題（每題7分，共14分。請列出必要的公式和計算步驟）1.假設(shè)一顆脈沖星的脈沖輪廓可以近似用高斯函數(shù)描述，其峰值強(qiáng)度為100單位，脈沖輪廓寬度（FWHM，全寬半高）為2毫秒。請估算該脈沖在頻譜上的能量集中寬度（Δν，定義為強(qiáng)度下降到峰值一半時的頻寬），假設(shè)同步輻射譜指數(shù)為-2.5。2.已知某脈沖星的脈沖到達(dá)時間（TOA）序列存在一個周期為1天的長期漂移，漂移率為0.1納秒/天。請估算該脈沖星的距離（假設(shè)使用的方法基于距離與漂移率的關(guān)系，并給出大致的數(shù)量級）。五、論述題（10分。請結(jié)合所學(xué)知識，深入分析和討論下列問題）討論脈沖星脈沖信號的時間抖動（TimingJitter）的來源及其對脈沖星計時精度的影響。為了提高計時精度，天文學(xué)家通常采用哪些方法來剔除或減小時間抖動的影響？試卷答案一、選擇題1.(C)2.(D)3.(B)4.(C)5.(C)6.(B)7.(C)8.(B)9.(C)10.(B)二、填空題1.千，百2.增加，減小3.TOA4.形狀5.變化6.ω，周期T7.高，能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)8.比值9.飛秒10.位相，偏振角三、簡答題1.解析思路：說明脈沖星具有強(qiáng)磁場和快速自轉(zhuǎn)。帶電粒子（通常是電子）在強(qiáng)磁場中受洛倫茲力做曲線運(yùn)動，并在脈沖星磁極附近被加速至接近光速。高速運(yùn)動的帶電粒子在磁場中掃過一面時，會沿著磁力線運(yùn)動。當(dāng)其運(yùn)動方向與視線方向大致一致時，粒子會同步加速發(fā)射電磁輻射。脈沖信號的產(chǎn)生對應(yīng)于粒子束掃過視線方向的時間。同步輻射的頻率范圍和強(qiáng)度與粒子能量、磁場強(qiáng)度和觀測頻率有關(guān)。2.解析思路：說明脈沖星信號通過星際介質(zhì)時，會與介質(zhì)中的自由電子發(fā)生湯姆遜散射。散射過程會使脈沖信號能量從發(fā)射頻率向更低的頻率轉(zhuǎn)移。單位頻率間隔內(nèi)散射效率的積分，即DM=∫n_e*Δξ*dl，其中n_e為電子數(shù)密度，Δξ為散射尺度大?。ㄅc頻率的平方成反比）。DM的量綱是頻率的倒數(shù)，常用單位是米/平方弧度（m2/sr）或Parsec/立方厘米（pc/c2/electron）。3.解析思路：說明脈沖星計時利用脈沖星作為“自然時鐘”。通過長期、高精度地監(jiān)測大量脈沖星的脈沖到達(dá)時間（TOA），可以精確測量脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化、軌道參數(shù)變化以及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、太陽系動態(tài)參數(shù)等。TOA的微小偏差反映了這些天體物理量或引力效應(yīng)。通過對TOA數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，可以提取出這些信息，達(dá)到毫米級甚至更高精度的測量。四、計算題1.解析思路：利用同步輻射譜的特性。同步輻射譜強(qiáng)度I∝ν^α*exp(-ν^2/ν_m^2)，其中α是譜指數(shù)，ν是頻率，ν_m是峰值頻率。能量主要集中在峰值頻率附近。脈沖輪廓的FWHM（FullWidthatHalfMaximum）與能量集中寬度有關(guān)。對于高斯脈沖輪廓，其頻譜也近似為高斯形。FWHM對應(yīng)的頻寬Δν近似為(sqrt(2*log(2))*ν_m)/(2^(α/2))。結(jié)合題目給定的FWHM=2ms和譜指數(shù)α=-2.5，代入ν_m與觀測頻率f的相關(guān)關(guān)系（ν_m∝f^2），可以估算出Δν（注意單位換算，f=MHz,ν=GHz）。計算步驟（示意）：設(shè)f_m為峰值頻率，Δf為能量集中寬度。FWHM=2*sqrt(2*log(2))*(f_m/(2^(-2.5/2)))=2ms。Δf≈f_m/(2^(-2.5/2))=(2ms*2^(-2.5/2))/sqrt(2*log(2))。Δν≈Δf*(1GHz/10^6MHz)。（此處未進(jìn)行具體數(shù)值計算，僅展示思路和公式應(yīng)用）2.解析思路：利用TOA漂移與距離的關(guān)系。TOA的長期漂移主要由脈沖星軌道運(yùn)動引起。其速率d(ΔTOA)/dt與脈沖星距離R近似成正比，即d(ΔTOA)/dt∝R。這個關(guān)系可以簡化為R∝d(ΔTOA)/dt，其中d(ΔTOA)/dt=0.1ns/day。這個比例關(guān)系是一個近似，實際計算會更復(fù)雜，涉及軌道參數(shù)等。但可以據(jù)此估算出距離大致在太陽系尺度到幾光年量級。五、論述題解析思路：首先闡述時間抖動（TimingJitter）的概念，即單個脈沖到達(dá)時間的隨機(jī)偏離。然后分析其主要來源：1)脈沖星內(nèi)部過程（如磁星/quasi-particle閃爍、自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定）；2)星際介質(zhì)效應(yīng)（如隨機(jī)電子密度擾動引起的色散抖動）；3)太陽大氣和地球大氣的折射效應(yīng)。重點討論這些來源如何導(dǎo)致TOA的隨機(jī)變化，從而影響計時