2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——恒星演化中的恒星爆炸現(xiàn)象考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.導(dǎo)致大質(zhì)量恒星核心引力坍縮并最終引發(fā)超新星爆發(fā)（TypeII）的直接內(nèi)部物理原因是：A.核燃料耗盡，無法提供足夠的輻射壓支撐B.核心溫度超過愛因斯坦方程的質(zhì)能轉(zhuǎn)換閾值C.核外電子俘獲導(dǎo)致核心物質(zhì)密度急劇增加D.恒星質(zhì)量超過奧本海默極限2.在超新星爆發(fā)（TypeII）過程中，中微子扮演的關(guān)鍵角色是：A.作為主要的能量輻射形式，直接驅(qū)動沖擊波B.帶走大部分初始引力勢能，限制爆發(fā)能量C.通過與核心物質(zhì)相互作用，提供必要的加熱D.引發(fā)核心外層物質(zhì)的CNO循環(huán)3.以下哪種類型的超新星爆發(fā)被認(rèn)為是由白矮星在密近雙星系統(tǒng)中通過持續(xù)吸積伴星物質(zhì)達(dá)到錢德拉塞卡極限而引發(fā)的？A.TypeII-LB.TypeIbC.TypeIcD.TypeIa4.與TypeII超新星相比，TypeIa超新星光變曲線的主要特征是：A.上升階段陡峭，峰值亮度較低且變化范圍大B.上升階段平緩，峰值亮度非常高且變化范圍極小C.持續(xù)時(shí)間很短，通常小于70天D.光譜中顯示出強(qiáng)烈的氫吸收線5.錢德拉塞卡極限主要限制了哪種類型恒星演化的最終結(jié)局？A.紅巨星B.大質(zhì)量主序星C.白矮星D.中子星6.在恒星演化過程中，碳氧核心發(fā)生熱核爆炸，將碳、氮、氧等元素進(jìn)一步融合，最終形成鐵組元，這一階段主要發(fā)生在：A.主序星階段B.紅巨星階段C.大質(zhì)量恒星核心的晚期D.白矮星吸積階段7.超新星爆發(fā)為宇宙化學(xué)演化提供了關(guān)鍵作用，其主要貢獻(xiàn)是：A.合成了宇宙中所有的輕元素B.合成了大部分中質(zhì)量元素（如硅、硫等）C.合成了大部分重元素（原子序數(shù)大于鐵）D.將元素均勻混合到星際介質(zhì)中8.之所以將TypeIa超新星視為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”用于測量宇宙距離，主要是因?yàn)樗鼈兊模篈.視星等非常穩(wěn)定，不隨紅移變化B.絕對星等在所有類型超新星中最高C.爆發(fā)機(jī)制完全由核物理決定，與初始恒星質(zhì)量無關(guān)D.爆發(fā)亮度只與紅移有關(guān)，與觀測角度無關(guān)9.對于中微子，以下哪個(gè)描述是正確的？A.它們是電中性的基本粒子，但帶有自旋B.它們是唯一能夠逃離正在坍縮的超新星核心的物質(zhì)C.它們與普通物質(zhì)幾乎不發(fā)生相互作用D.它們的能量與超新星爆發(fā)的總能量成正比10.如果一個(gè)超新星的光譜中幾乎沒有氫線，但在光譜藍(lán)端區(qū)域顯示出強(qiáng)烈的[OIII]和[NeIII]發(fā)射線，那么它最可能屬于哪種類型？A.TypeIaB.TypeIbC.TypeIcD.TypeII-P二、填空題1.大質(zhì)量恒星生命末期，當(dāng)核心的_________核心（主要由鐵構(gòu)成）聚變產(chǎn)生的能量小于其引力收縮釋放的能量時(shí)，引力坍縮將不可避免地發(fā)生。2.超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波在向外傳播過程中，不斷加熱周圍的星際介質(zhì)，并使其發(fā)生_________和_________，從而向外輻射能量，形成我們觀測到的超新星現(xiàn)象。3.Chandrasekhar極限是指不發(fā)生_________坍縮的最大白矮星質(zhì)量，其理論值約為1.4倍太陽質(zhì)量。4.TypeIa超新星的光譜通常顯示出_________線的顯著吸收，而氫線的強(qiáng)度則非常_________。5.除了超新星爆發(fā)，大質(zhì)量恒星的另一種可能的最終命運(yùn)是形成_________或_________。6.中微子是由弱相互作用產(chǎn)生的_________自旋粒子，它們與電子有著相似的_________質(zhì)量，但相互作用極為微弱。三、簡答題1.簡述超新星爆發(fā)（TypeII）的三階段模型，并說明每個(gè)階段的主要能量來源。2.比較大質(zhì)量恒星（產(chǎn)生TypeII超新星）和中等質(zhì)量恒星（可能產(chǎn)生TypeIa超新星）在核心演化末期的主要區(qū)別。3.解釋什么是錢德拉塞卡極限，并簡述白矮星是如何通過吸積增加質(zhì)量并最終可能引發(fā)TypeIa超新星爆發(fā)的。4.簡述中微子在超新星能量釋放過程中所起的關(guān)鍵作用。四、計(jì)算題已知某超新星（TypeII-P）在距離地球5000光年的位置爆發(fā)，其峰值絕對星等為-19.3等。假設(shè)該超新星的光度隨時(shí)間的變化可以用簡單的指數(shù)衰減函數(shù)L(t)=L?*exp(-t/τ)來描述，其中峰值光度L?為其平均峰值的10倍，衰減時(shí)間常數(shù)τ=120天。(1)計(jì)算該超新星在峰值時(shí)的視星等。（考慮距離modulusM=5log(d)-5，其中d以pc為單位，1光年≈0.3066pc）(8分)(2)計(jì)算該超新星在爆發(fā)后60天時(shí)的視星等，并說明此時(shí)它相對于峰值亮度減弱了多少倍？(7分)五、論述題論述超新星爆發(fā)（特別是TypeIa超新星）作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”在現(xiàn)代宇宙學(xué)研究中（例如測量哈勃常數(shù)H?和暗能量參數(shù)）的重要性、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.D4.B5.C6.C7.C8.C9.A10.B二、填空題1.鐵核2.離子化，電離3.核聚變4.氫，微弱5.中子星，黑洞6.中性，相對三、簡答題1.解析思路：理解TypeII超新星爆發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)三階段模型。*第一階段（沖擊波形成與傳播）：恒星核心坍縮，產(chǎn)生大量中微子，中微子能量被核心物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，加熱吸積下來的外層物質(zhì)，形成向內(nèi)沖擊波。這是主要的能量產(chǎn)生機(jī)制（中微子加熱）。*第二階段（絕熱膨脹與輻射）：沖擊波向外傳播，遇到逐漸膨脹冷卻的外層物質(zhì)。沖擊波將物質(zhì)加熱到極高溫度，使其發(fā)生強(qiáng)烈的核反應(yīng)（主要是α過程合成元素）和輻射。此時(shí)輻射壓力主導(dǎo)，向外拋射物質(zhì)，能量主要通過光子輻射傳播（核合成與輻射）。*第三階段（光變余輝）：外層物質(zhì)被徹底拋射出去，超新星進(jìn)入快速冷卻和亮度下降的階段。主要是拋射物質(zhì)自身冷卻輻射（主要是光學(xué)和紫外輻射），以及可能存在的脈沖星風(fēng)或早期中微子輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光（光變余輝）。*答案要點(diǎn)：描述三階段的主要過程和相應(yīng)的能量來源/機(jī)制。2.解析思路：對比兩種恒星在核心末期的關(guān)鍵差異。*質(zhì)量極限：大質(zhì)量恒星質(zhì)量遠(yuǎn)超錢德拉塞卡極限。*核心組分：大質(zhì)量恒星最終核心為鐵核；中等質(zhì)量恒星（若通過吸積達(dá)到極限）核心為碳氧核心。*最終命運(yùn)（爆炸）：大質(zhì)量恒星核心坍縮引發(fā)超新星爆發(fā)，可能形成中子星或黑洞；中等質(zhì)量恒星（白矮星）通過核外電子俘獲（TypeIa）或質(zhì)量損失停止演化。*元素合成：大質(zhì)量恒星合成更重的元素（r過程）；中等質(zhì)量恒星（TypeIa）是宇宙中鎳等重元素的重要合成場所（s過程）。*答案要點(diǎn)：指出質(zhì)量、核心組分、最終結(jié)局（爆發(fā)形式與產(chǎn)物）和元素合成的核心區(qū)別。3.解析思路：闡述白矮星吸積與TypeIa超新星爆發(fā)的聯(lián)系。*錢德拉塞卡極限：提到白矮星存在質(zhì)量上限。*吸積過程：在密近雙星系統(tǒng)中，白矮星能夠從伴星吸積物質(zhì)，增加自身質(zhì)量。*質(zhì)量增長：隨著質(zhì)量增加，白矮星的內(nèi)部壓力和溫度上升。*核燃燒：當(dāng)質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限時(shí)，碳氧核心的溫度和壓力足以引發(fā)失控的碳聚變（或更高階核素聚變）。*爆炸：這種熱核爆炸迅速擴(kuò)展到整個(gè)白矮星，將其完全摧毀，形成TypeIa超新星爆發(fā)。*答案要點(diǎn)：概述吸積增加質(zhì)量->達(dá)到極限->觸發(fā)失控核燃燒->引發(fā)爆炸的過程。4.解析思路：闡述中微子在超新星能量釋放中的作用機(jī)制。*引力坍縮：在大質(zhì)量恒星核心坍縮過程中，質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，同時(shí)釋放電子和反電子中微子。*能量傳遞：大量能量（每個(gè)中微子攜帶約10MeV）被中微子帶走。*限制膨脹：中微子與核心物質(zhì)的相互作用非常微弱，使得它們可以自由穿過物質(zhì)，直到與外層物質(zhì)碰撞。這有效地阻止了核心物質(zhì)在引力坍縮初期向外反彈，直到中微子能量耗散。*加熱沖擊波：當(dāng)中微子向外擴(kuò)散并與外層物質(zhì)碰撞時(shí)，將攜帶的能量傳遞給吸積的外層物質(zhì)，加熱它們，形成并向外推動沖擊波，這是超新星爆發(fā)的真正能量來源。*答案要點(diǎn)：描述中微子產(chǎn)生、能量攜帶、限制核心反彈以及加熱外層物質(zhì)形成沖擊波的關(guān)鍵作用。四、計(jì)算題(1)解析思路：使用距離模量公式計(jì)算視星等。*公式：m-M=5*log(d)-5*距離d(pc)=5000光年/0.3066光年/pc≈1631pc*M=5*log(1631)-5≈5*3.214-5=15.07-5=10.07*視星等m=M+5*log(d)=10.07+5*log(1631)=10.07+15.07=25.14*答案：視星等約為25.1等。(2)解析思路：計(jì)算相對亮度變化。*峰值光度L?與60天時(shí)光度L??的關(guān)系：L??=L?*exp(-60/120)=L?*exp(-0.5)*相對亮度減弱倍數(shù)=L?/L??=1/exp(-0.5)=exp(0.5)≈1.6487*答案：視星等會進(jìn)一步降低（因?yàn)榫嚯x模量和峰值絕對星等不變，而光度降低）。相對峰值亮度減弱了約1.65倍。五、論述題解析思路：闡述標(biāo)準(zhǔn)燭光在宇宙學(xué)中的應(yīng)用、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及對策。*重要性：超新星（特別是TypeIa）具有極高的、相對穩(wěn)定的峰值絕對星等（SNIa）。利用視星等和距離可以精確測量其距離。通過觀測不同距離處SNIa的亮度差異，可以推算出宇宙的膨脹速率（哈勃常數(shù)H?）隨時(shí)間的變化，進(jìn)而研究宇宙的演化歷史、總能量密度（包括暗能量和暗物質(zhì)）以及暗能量的性質(zhì)。*主要挑戰(zhàn)：*系統(tǒng)誤差：測量SNIa峰值亮度存在系統(tǒng)不確定性（如紅外觀測系統(tǒng)改正、塵埃消光、譜型判別等），這是導(dǎo)致哈勃常數(shù)測量值存在爭議的主要原因之一。*統(tǒng)計(jì)樣本：需要觀測足夠多、足夠遙遠(yuǎn)的SNIa才能獲得精確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。*物理理解：對TypeIa超新星爆發(fā)的精確物理機(jī)制仍不完全清楚，不同物理模型可能預(yù)測不同的絕對星等和光變曲線，影響距離測量精度。*混淆源：需要區(qū)分真正的SNIa與可能被誤認(rèn)為是SNIa的其他天體（如SNR、極端AGN等）。*可能的解決方案：*提高觀測精度：使用更大口徑望遠(yuǎn)鏡和更精密的儀器進(jìn)行觀測，改善光譜分類，更準(zhǔn)確地估計(jì)消光。*統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：發(fā)展更可靠的SNIa標(biāo)準(zhǔn)燭光系統(tǒng)（如基于早期光譜測光）。*增加樣本量和深度：通過大規(guī)模巡天項(xiàng)目