2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的星際磁場(chǎng)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在星際介質(zhì)中，將恒星磁場(chǎng)有效地傳輸?shù)礁罂臻g的主要機(jī)制是：(A)磁擴(kuò)散(B)阿爾芬波傳播(C)磁場(chǎng)重聯(lián)(D)恒星風(fēng)直接吹掃2.利用中性氫原子21厘米譜線的塞曼效應(yīng)來測(cè)量星際磁場(chǎng)時(shí)，主要探測(cè)到的是：(A)磁場(chǎng)的整體平均方向(B)磁場(chǎng)相對(duì)于視線方向的垂直分量(C)磁場(chǎng)相對(duì)于視線方向的平行分量(D)星際介質(zhì)的溫度分布3.下列哪種現(xiàn)象是星際磁場(chǎng)存在并能影響氣體運(yùn)動(dòng)的直接證據(jù)？(A)恒星的自轉(zhuǎn)(B)HII區(qū)的中心對(duì)稱性(C)宇宙微波背景輻射的偏振(D)行星大氣的環(huán)流4.在分子云中，磁場(chǎng)的主要作用之一是：(A)提供恒星初始形成的引力潛力(B)直接加熱星際氣體至高溫(C)穩(wěn)定氣體云，防止其因引力而Collapse(D)決定星際介質(zhì)的平均密度5.根據(jù)星系旋臂密度波理論，磁場(chǎng)在旋臂區(qū)域可能被顯著放大，其主要機(jī)制被認(rèn)為是：(A)磁場(chǎng)擴(kuò)散(B)恒星風(fēng)的持續(xù)注入(C)阿爾芬機(jī)制（與密度波壓縮相關(guān)）(D)恒星形成過程中的accretiondisk發(fā)出的噴流6.以下哪項(xiàng)技術(shù)主要用來測(cè)量星際磁場(chǎng)矢量場(chǎng)的方向？(A)射電望遠(yuǎn)鏡的譜線強(qiáng)度測(cè)量(B)光譜線的紅移/藍(lán)移測(cè)量(C)通過分析天文射電譜線的偏振狀態(tài)(D)測(cè)量星際塵埃的紅外發(fā)射7.星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常用微伽馬（μG）作為單位，1μG大約等于：(A)1特斯拉(B)10^-4特斯拉(C)10^-8特斯拉(D)10^-12特斯拉8.恒星風(fēng)對(duì)星際磁場(chǎng)的影響主要是：(A)在局部區(qū)域產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)磁場(chǎng)(B)將磁場(chǎng)能量和動(dòng)量輸運(yùn)到廣闊空間(C)通過光電效應(yīng)完全消除磁場(chǎng)(D)使磁場(chǎng)方向隨機(jī)化9.在研究原恒星盤時(shí)，星際磁場(chǎng)被認(rèn)為扮演了重要角色，例如：(A)提供盤形成所需的初始引力(B)直接驅(qū)動(dòng)盤內(nèi)的物質(zhì)對(duì)流(C)通過螺旋密度波模式觸發(fā)物質(zhì)inflow(D)限制磁場(chǎng)約束的盤的半徑，防止過度膨脹10.磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）是研究帶電等離子體（如星際介質(zhì)）中電磁場(chǎng)與流體動(dòng)力學(xué)相互作用的理論，其基本方程組通常包括：(A)牛頓第二定律、熱力學(xué)定律(B)歐拉方程、Maxwell方程組(C)狀態(tài)方程、連續(xù)性方程(D)非相對(duì)論性流體動(dòng)力學(xué)方程、相對(duì)論性電動(dòng)力學(xué)方程二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.觀測(cè)到許多HII區(qū)具有大致對(duì)稱的形狀，這通常被認(rèn)為是星際磁場(chǎng)對(duì)高速恒星風(fēng)掃過的氣體產(chǎn)生的________作用的證據(jù)。2.星際磁場(chǎng)的主要來源被認(rèn)為是附近恒星的________以及星系旋臂的密度波效應(yīng)。3.當(dāng)一束來自氣體云的光譜線受到垂直于視線方向磁場(chǎng)的________效應(yīng)影響時(shí)，會(huì)分裂成左旋和右旋圓偏振的兩束光。4.在電離氣體（如HII區(qū)）中，由于電子密度遠(yuǎn)大于離子密度，磁場(chǎng)的凍結(jié)-in（或去凍結(jié)-out）效應(yīng)主要表現(xiàn)為磁場(chǎng)線與氣體運(yùn)動(dòng)方向________。5.分子云中的磁場(chǎng)通常比周圍的電離氣體區(qū)域________（更強(qiáng)/更弱）。6.星際磁場(chǎng)的存在可以顯著影響星際介質(zhì)的________（湍流）性質(zhì)。7.磁場(chǎng)可以通過________效應(yīng)在某些條件下被放大。8.測(cè)量星際磁場(chǎng)強(qiáng)度的一種方法是分析天文射電譜線（如21厘米氫譜線）的________。9.在磁場(chǎng)存在的等離子體中，帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象稱為________效應(yīng)。10.理解星際磁場(chǎng)對(duì)于揭示恒星形成過程以及________（星系演化）的許多方面至關(guān)重要。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題）1.簡(jiǎn)述塞曼效應(yīng)的基本原理及其在星際磁場(chǎng)測(cè)量中的作用。2.解釋什么是磁擴(kuò)散，并簡(jiǎn)述其在星際磁場(chǎng)演化中的作用。3.簡(jiǎn)要說明磁場(chǎng)如何影響分子云的穩(wěn)定性，并觸發(fā)恒星形成。四、論述題（共25分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，詳細(xì)闡述下列問題）1.詳細(xì)討論星際磁場(chǎng)對(duì)恒星形成過程可能產(chǎn)生的多種影響，并說明其作用機(jī)制。（10分）2.闡述如何通過觀測(cè)手段（如譜線偏振、特定區(qū)域的磁場(chǎng)分布）來探測(cè)和研究星際磁場(chǎng)的性質(zhì)及其在不同環(huán)境（如HII區(qū)、分子云）中的差異。（15分）試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.C5.C6.C7.C8.B9.C10.B二、填空題1.磁約束2.恒星風(fēng)3.塞曼4.平行5.更強(qiáng)6.湍流7.阿爾芬8.偏振9.塞曼10.星系演化三、簡(jiǎn)答題1.塞曼效應(yīng)是指在外加磁場(chǎng)作用下，原子的能級(jí)發(fā)生分裂的現(xiàn)象。對(duì)于具有自旋的粒子（如電子），能級(jí)分裂的間隔與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)來自具有磁場(chǎng)的氣體云的光通過地球磁場(chǎng)時(shí)，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。通過分析接收到的偏振光的模式，可以反推出產(chǎn)生光的氣體云中的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度。其作用在于提供了一種測(cè)量星際磁場(chǎng)（特別是垂直于視線方向的分量）的獨(dú)立于氣體運(yùn)動(dòng)的方法。2.磁擴(kuò)散是指磁場(chǎng)線在帶有電流的等離子體中由于場(chǎng)線與粒子碰撞而發(fā)生的隨機(jī)游走現(xiàn)象，導(dǎo)致磁場(chǎng)能量耗散并傳播開去。在星際介質(zhì)中，雖然平均電導(dǎo)率可能不高，但存在湍流和離子漂移等過程，仍會(huì)產(chǎn)生一定的磁擴(kuò)散。磁擴(kuò)散限制了磁場(chǎng)凍結(jié)-in效應(yīng)的尺度，并使磁場(chǎng)隨時(shí)間演化，最終達(dá)到一個(gè)與等離子體運(yùn)動(dòng)耦合的狀態(tài)。3.磁場(chǎng)可以影響分子云內(nèi)部的磁場(chǎng)壓力和磁場(chǎng)應(yīng)力。在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的分子云中，磁場(chǎng)可以產(chǎn)生一個(gè)徑向的磁場(chǎng)壓力梯度，這個(gè)壓力梯度可以與引力平衡，從而穩(wěn)定云體，阻止其因引力不穩(wěn)定性而collapse。然而，當(dāng)磁場(chǎng)方向與云體密度梯度（即引力）方向不匹配時(shí)，磁場(chǎng)應(yīng)力（切向應(yīng)力）可能會(huì)被放大，形成螺旋密度波，這種波可以擾動(dòng)云體，破壞引力穩(wěn)定，從而觸發(fā)局部區(qū)域的引力collapse，最終可能導(dǎo)致恒星的形成。四、論述題1.星際磁場(chǎng)對(duì)恒星形成過程的影響是多方面的：*穩(wěn)定作用：如簡(jiǎn)答題3所述，磁場(chǎng)可以通過提供額外的壓力來穩(wěn)定分子云，阻止其過早collapse，可能影響恒星形成的時(shí)間尺度和地點(diǎn)。*觸發(fā)作用：磁場(chǎng)應(yīng)力可以通過螺旋密度波等形式擾動(dòng)分子云，破壞局部引力穩(wěn)定，提供恒星形成所需的初始擾動(dòng)，觸發(fā)collapse。*約束與通道作用：在原恒星盤的形成和演化中，磁場(chǎng)可以約束盤的形狀，限制其半徑，并通過磁流管（magneticfluxtubes）將能量和物質(zhì)從中心向外輸運(yùn)（星風(fēng)），或從外部向內(nèi)輸送，影響盤的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)流。*影響原恒星與星團(tuán)環(huán)境：磁場(chǎng)影響原恒星周圍的HII區(qū)形成和形態(tài)，也影響年輕星團(tuán)的整體動(dòng)力學(xué)行為和疏散。*與湍流耦合：磁場(chǎng)可以改變分子云中湍流的結(jié)構(gòu)和能量分布，進(jìn)而影響湍流不穩(wěn)定性的觸發(fā)和collapse事件的發(fā)生。這些影響機(jī)制復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)，磁場(chǎng)在恒星形成中扮演著關(guān)鍵的調(diào)控角色。2.探測(cè)和研究星際磁場(chǎng)性質(zhì)及其差異的觀測(cè)手段主要包括：*塞曼效應(yīng)觀測(cè)：通過射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)中性氫（21厘米譜線）或羥基（18厘米譜線）等譜線，分析其在視向磁場(chǎng)作用下的偏振度變化。由于塞曼分裂的頻率間隔正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度和粒子能量（與溫度相關(guān)），可以通過測(cè)量分裂頻率差來獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度和視線方向磁場(chǎng)分量。這種方法主要用于測(cè)量溫度相對(duì)較高的電離氣體中的磁場(chǎng)。*偏振光觀測(cè)：當(dāng)來自磁場(chǎng)區(qū)域的光穿過地球磁場(chǎng)和星際磁場(chǎng)時(shí)，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。通過分析射電譜線或其他波長(zhǎng)輻射（如光學(xué)譜線，需考慮大氣和星際介質(zhì)的影響）的偏振特性（偏振角、偏振度），可以推斷出光路中磁場(chǎng)的信息。特別是結(jié)合地球磁場(chǎng)的影響，可以反推出源處的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度。這種方法可以測(cè)量不同區(qū)域的磁場(chǎng)矢量。*遠(yuǎn)距離射電干擾源法：對(duì)于某些方向上存在非常強(qiáng)的射電點(diǎn)源（如類星體），其射電波經(jīng)過星際介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)波的偏振面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。通過測(cè)量不同地點(diǎn)觀測(cè)到的同一射電源的偏振旋轉(zhuǎn)角，可以繪制出磁場(chǎng)矢量線圖。這種方法主要用于繪制銀道面附近的大尺度磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。