2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的星際塵埃吸收考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、解釋以下術(shù)語(yǔ)：星際塵埃、reddening、吸收線、星際背景輻射、視向速度偏差。二、簡(jiǎn)述星際塵埃的主要化學(xué)成分及其可能的起源。三、描述電磁波與星際塵埃相互作用的兩種主要方式（除吸收外），并簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。四、為什么說(shuō)星際塵埃主要在近紅外和遠(yuǎn)紅外波段產(chǎn)生顯著的吸收效應(yīng)？請(qǐng)從其物理性質(zhì)和吸收機(jī)制角度解釋。五、解釋什么是“紅化”（reddening）。描述如何利用星表和觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量一個(gè)天體（例如，一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系或一個(gè)疏散星團(tuán)）的reddening量E(B-V)。六、TiO吸收線是判斷星際塵埃含量和性質(zhì)的重要標(biāo)志之一。簡(jiǎn)述TiO吸收線出現(xiàn)的條件以及它們通常指示了什么樣的星際環(huán)境。七、星際塵埃吸收如何影響我們對(duì)遙遠(yuǎn)星系的光度測(cè)量？這種現(xiàn)象在星系天文學(xué)研究中有什么意義？八、紅外天文學(xué)的發(fā)展為何對(duì)克服星際塵埃吸收的影響至關(guān)重要？請(qǐng)簡(jiǎn)述紅外觀測(cè)相比于可見(jiàn)光觀測(cè)在研究被塵埃遮擋天體方面的優(yōu)勢(shì)。九、星際塵埃不僅吸收光線，也會(huì)散射光線。簡(jiǎn)述塵埃散射對(duì)星光顏色的影響，并與吸收對(duì)星光顏色的影響進(jìn)行比較。十、設(shè)想你觀測(cè)到一顆位于一個(gè)已知距離的恒星的光譜，其光譜在近紅外區(qū)域（例如1-2.5微米）顯示出明顯的連續(xù)譜吸收，但沒(méi)有觀測(cè)到典型的TiO吸收線。請(qǐng)根據(jù)這些信息，推斷該恒星所在的星際環(huán)境可能具有哪些特征？（提示：考慮塵埃密度、溫度、金屬豐度等因素）試卷答案一、*星際塵埃：存在于星際空間中的微小固體顆粒，主要由宇宙塵埃碎屑構(gòu)成，尺寸通常在微米量級(jí)，成分包括硅酸鹽、石墨、碳等。*Redding（紅化）：指星際塵埃對(duì)來(lái)自背景光源（如恒星）的光線在通過(guò)星際介質(zhì)時(shí)，短波長(zhǎng)的光比長(zhǎng)波長(zhǎng)光吸收或散射得更強(qiáng)烈，導(dǎo)致光源光譜的整體顏色向紅色端偏移的現(xiàn)象。*吸收線：當(dāng)特定波長(zhǎng)的光被介質(zhì)中的某種物質(zhì)選擇性地吸收時(shí)，在連續(xù)譜背景上出現(xiàn)的暗線。*星際背景輻射：來(lái)自宇宙各個(gè)方向的、經(jīng)過(guò)整個(gè)星際介質(zhì)散射和吸收后的殘余電磁輻射。*視向速度偏差：由于星際塵埃對(duì)光線的散射和吸收，可能導(dǎo)致天體的視向速度測(cè)量值產(chǎn)生系統(tǒng)性的偏差。二、星際塵埃的主要成分包括硅酸鹽（如橄欖石、輝石）、石墨和純碳（如金剛石、富氫碳球）。這些成分的形成與恒星演化過(guò)程密切相關(guān)：硅酸鹽和氧化物主要形成于恒星晚期階段（如紅巨星）的恒星風(fēng)或超新星爆發(fā)；石墨和碳球則可能形成于碳星演化的晚期或超新星爆發(fā)的頂級(jí)。星際介質(zhì)中不同類型的塵埃顆粒反映了其來(lái)源恒星的不同演化階段和化學(xué)環(huán)境。三、1.吸收：電磁波與塵埃顆粒相互作用，能量被塵埃吸收，導(dǎo)致特定波長(zhǎng)或一定范圍波長(zhǎng)的光被減弱。這是由塵埃內(nèi)部的電子和原子能級(jí)躍遷決定的。2.散射：電磁波與塵埃顆粒相互作用，光的傳播方向發(fā)生改變。散射可以是各向同性的（如瑞利散射），也可以是選擇性散射（如米氏散射），后者對(duì)短波長(zhǎng)光的影響更強(qiáng)，是導(dǎo)致紅化的主要機(jī)制之一。四、星際塵埃對(duì)可見(jiàn)光（波長(zhǎng)約400-700納米）的吸收相對(duì)較弱，因?yàn)榭梢?jiàn)光光子能量較高，不易被塵埃顆粒內(nèi)部電子和原子激發(fā)。然而，當(dāng)電磁波穿過(guò)大量塵埃時(shí)，尤其是在密度較高的區(qū)域，可見(jiàn)光也會(huì)被累積吸收，導(dǎo)致星光強(qiáng)度減弱和顏色變紅。但在近紅外和遠(yuǎn)紅外波段（波長(zhǎng)大于1-2微米），塵埃顆粒（特別是碳基塵埃）的電子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷能夠有效地吸收光子能量，且此時(shí)散射效應(yīng)相對(duì)減弱，吸收成為主導(dǎo)機(jī)制，因此在這些波段表現(xiàn)出顯著的吸收特征。五、紅化是指星際塵埃使星光偏向紅色的現(xiàn)象。測(cè)量E(B-V)（B-V光譜色指數(shù)，藍(lán)端波長(zhǎng)440nm，紅端波長(zhǎng)860nm）是定量描述紅化的常用方法。通過(guò)比較已知距離且沒(méi)有受星際塵埃顯著影響的“標(biāo)準(zhǔn)星”（其B-V值主要由恒星自身性質(zhì)決定）與目標(biāo)天體的B-V值差異，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)星的距離，可以計(jì)算出目標(biāo)天體所經(jīng)歷的紅化量E(B-V)。通常使用星表（如Hipparcos）獲取標(biāo)準(zhǔn)星數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)光觀測(cè)獲得目標(biāo)天體的B-V值。六、TiO（鈦氧化物）吸收線主要出現(xiàn)在M型紅巨星的光譜中，這些恒星表面溫度較低（約<3500K）。星際塵埃顆粒表面也常常覆蓋著類似恒星大氣（特別是M型星大氣）的成分，包括TiO分子。當(dāng)來(lái)自背景星的星光穿過(guò)富含這類塵埃的星際云時(shí)，TiO分子會(huì)吸收其光譜中特定波長(zhǎng)的光，產(chǎn)生特征吸收線。因此，觀測(cè)到TiO吸收線通常指示星際介質(zhì)中存在溫度相對(duì)較低的塵埃，暗示著塵埃的存在較為普遍，并且可能與形成它的恒星類型有關(guān)。七、星際塵埃吸收會(huì)衰減來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光線強(qiáng)度，尤其是在視線方向穿過(guò)大量塵埃的區(qū)域。這會(huì)使得星系顯得比實(shí)際更暗，影響對(duì)其光度、大小、距離等的準(zhǔn)確測(cè)量。這種現(xiàn)象對(duì)于觀測(cè)位于星系團(tuán)中心或銀道面附近的星系尤為重要。研究這種吸收有助于理解星系際介質(zhì)（IGM）的性質(zhì)、星系形成和演化的環(huán)境，以及估計(jì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的密度分布。八、紅外天文學(xué)通過(guò)觀測(cè)天體發(fā)出的紅外輻射（波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)）來(lái)研究宇宙。由于星際塵埃主要在近紅外和紅外波段被吸收，而在可見(jiàn)光波段吸收較弱，紅外觀測(cè)可以穿透被塵埃遮擋或包覆的天體（如原恒星、行星系統(tǒng)、密集星團(tuán)、星系中心等），揭示這些天體隱藏的信息。這使得紅外天文學(xué)在探索恒星和行星形成、觀測(cè)活動(dòng)星系核、研究暗物質(zhì)分布等方面具有不可替代的作用，有效克服了星際塵埃吸收帶來(lái)的觀測(cè)障礙。九、塵埃散射對(duì)星光顏色的影響主要體現(xiàn)在選擇性散射上。根據(jù)米氏散射理論，當(dāng)光的波長(zhǎng)小于塵埃顆粒的等效半徑時(shí)，發(fā)生瑞利散射，散射光波長(zhǎng)更短（偏藍(lán)）；當(dāng)光的波長(zhǎng)大于塵埃顆粒等效半徑時(shí)，發(fā)生米氏散射，散射光的顏色接近于散射介質(zhì)和背景光源的光色。由于星際塵埃顆粒的大小通常與可見(jiàn)光波長(zhǎng)相當(dāng)或稍小，對(duì)可見(jiàn)光主要是米氏散射。這種散射傾向于使來(lái)自前方星際塵埃云的星光整體偏向藍(lán)色，與吸收導(dǎo)致的紅色效應(yīng)相反。然而，由于吸收通常比散射更顯著，紅化效應(yīng)往往是主導(dǎo)的。十、觀測(cè)到的現(xiàn)象（近紅外吸收，無(wú)TiO線）暗示以下可能性：1.塵埃存在，但密度較低或溫度較高：低密度塵埃吸收較弱；高溫塵埃（>1500K）會(huì)分解TiO分子，導(dǎo)致TiO線消失。2.塵埃成分以碳基為主：碳基塵埃在近紅外有強(qiáng)烈的吸收特征（如2.3,4.5,11.3微米），可能掩蓋了較弱的硅酸鹽吸收或TiO吸收。3.塵埃顆粒較大：大顆