2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星際塵埃分布密度測定考試時間：______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.以下哪種物質(zhì)通常不被認為是星際塵埃的主要成分？A.硅酸鹽B.碳粒C.氫分子(H?)D.石墨2.星際塵埃對可見光的主要效應是？A.散射光，使天空呈現(xiàn)藍色B.吸收光，導致星云呈現(xiàn)暗色C.產(chǎn)生發(fā)射線，使星云發(fā)光D.引起引力透鏡效應3.光度reddening(A_V)表示的是？A.恒星絕對星等隨波長的變化B.恒星視星等隨距離的變化C.由于星際塵埃吸收和散射導致的光度損失（以星等表示）D.恒星光譜的能量分布隨溫度的變化4.以下哪個量直接與星際塵埃的分布密度(ρ)成正比？A.恒星的視星等B.星際介質(zhì)的光學厚度(τ)C.恒星的絕對星等D.星際塵埃的溫度5.Steffen-Bolte關(guān)系式主要用于描述？A.恒星的光度與其半徑的關(guān)系B.星際塵埃的reddening(A_V)與塵埃密度(ρ)和尺度參數(shù)(ξ)的關(guān)系C.星際氣體的密度與溫度的關(guān)系D.行星的大小與其軌道周期的關(guān)系6.測量星際塵埃reddening時，通常需要觀測幾顆已知固有亮度（無reddening影響）的恒星？A.1顆B.2顆C.3顆或更多D.無需觀測已知固有亮度的恒星7.反射星云呈現(xiàn)彩色主要是由于？A.恒星內(nèi)部不同元素的發(fā)光B.恒星光被星際氣體吸收后重新輻射C.恒星光被星際塵埃選擇性地散射D.星云內(nèi)部產(chǎn)生了化學反應發(fā)光8.紅外天文觀測對于研究星際塵埃的主要優(yōu)勢在于？A.可以觀測到來自致密星團內(nèi)部的年輕恒星B.可以穿透星際塵埃的遮蔽，觀測到被塵埃遮擋的遠距離天體或其內(nèi)部結(jié)構(gòu)C.可以直接測量星際塵埃的化學成分D.可以精確測量星際塵埃的視向速度9.當觀測到某天體在藍光的視星等明顯低于紅光時，這種現(xiàn)象稱為？A.光譜紅移B.多普勒效應C.光譜藍移D.色指數(shù)（ColorIndex）10.以下哪種方法不適合用于測定遠離銀心的星際塵埃密度？A.利用遠紅外觀測到的熱塵埃發(fā)射譜B.通過觀測恒星光譜線的吸收深度來估計reddeningC.利用近紅外波段的光度測光reddeningD.通過觀測HII區(qū)內(nèi)星光被塵埃散射的情況二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.星際塵埃對可見光的吸收會導致星光能量向__________波段轉(zhuǎn)移，從而使星云或背景恒星看起來偏__________。2.描述星際塵埃對光吸收和散射隨波長變化規(guī)律的曲線稱為__________曲線。3.常用的星際塵埃尺度參數(shù)(ξ)的單位是__________，它與溫度和塵埃顆粒大小的關(guān)系為T∝ξ?1。4.利用恒星光譜中特定譜線的吸收深度來測量reddening的方法稱為__________法。5.除了遮蔽和紅化，星際塵埃還通過__________過程加熱星際氣體。6.在星際介質(zhì)中，塵埃和氣體通常存在__________關(guān)系。7.紅外天文學的發(fā)展極大地推動了我們對__________（天體或現(xiàn)象）中星際塵埃的研究。8.當使用CLF模型計算reddening時，需要根據(jù)觀測到的顏色指數(shù)和星云的__________來選擇合適的曲線。9.微波波段的21厘米氫譜線發(fā)射主要來自__________，而星際塵埃在遠紅外波段（約25-100微米）有顯著的__________發(fā)射。10.星際塵埃作為__________的原料，對于理解行星系統(tǒng)的形成至關(guān)重要。三、簡答題（每題5分，共15分。）1.簡述reddening(A_V)與星際塵埃分布密度(ρ)之間大致的關(guān)系，并說明影響這種關(guān)系的因素。2.簡要說明Cardelli-Livio-Ferraro(CLF)模型的基本思想及其在reddening測定中的作用。3.與遮蔽法相比，直接成像法（如紅外成像）測定星際塵埃分布密度主要面臨哪些挑戰(zhàn)？四、計算題（每題10分，共20分。）1.假設(shè)一顆位于我們銀河系盤中，距離地球D=1kpc的恒星，其固有顏色指數(shù)(B-V)_0=0.0。由于星際塵埃的影響，觀測到的顏色指數(shù)(B-V)_obs=0.8。已知該恒星的光度reddening關(guān)系式為A_V=0.6(B-V)_obs。請計算該恒星所在位置的星際塵埃reddeningA_V以及大致的塵埃光學厚度τ_V(假設(shè)V波段的吸收曲線近似為指數(shù)衰減，τ_V=3.1*A_V)。2.在一個特定的星云區(qū)域，觀測到星際塵埃的尺度參數(shù)ξ=0.1pc。已知該區(qū)域的氣體溫度T=100K。根據(jù)Steffen-Bolte關(guān)系式，估算該區(qū)域的星際塵埃分布密度ρ(單位：g/cm3)。假設(shè)關(guān)系式為ρ=0.3*T2*ξ?1.5(此為簡化形式，用于計算示例)。五、論述題（10分。）討論利用紅外天文觀測數(shù)據(jù)測定星際塵埃密度的主要方法有哪些？并分析每種方法的原理、優(yōu)勢和局限性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.B5.B6.C7.C8.B9.D10.C二、填空題1.遠紅外；紅2.吸收3.開爾文米(Km)4.光譜線5.散射6.密度比7.被遮蔽的遙遠天體8.距離9.冷分子云；熱10.行星三、簡答題1.簡答思路：首先說明A_V與ρ大致成正比關(guān)系（通常在密度較低時）。然后指出這種關(guān)系并非嚴格線性，而是受到塵埃顆粒大小分布、形狀、化學成分以及尺度參數(shù)ξ的影響。密度增加時，可能需要更高的ξ值才能維持相同的A_V，或者吸收曲線形狀會變化，從而影響A_V-ρ的關(guān)系。需要ξ和塵埃性質(zhì)來完整描述。2.簡答思路：首先說明CLF模型是基于觀測數(shù)據(jù)擬合得到的、描述星際塵埃在不同物理條件下（主要是金屬豐度Z和ξ）的吸收曲線族。核心思想是：給定顏色指數(shù)和星云大致的ξ值（或金屬豐度），可以在模型圖上找到對應的吸收曲線，從而查表或插值得到相應的reddeningA_V。作用是克服了標準洛希吸收曲線的局限性，能更好地反映真實星際塵埃的復雜特性，提高了reddening測定的精度。3.簡答思路：主要挑戰(zhàn)包括：1）紅外成像只能看到塵埃發(fā)射或反射光，對于主要吸收可見光的冷塵埃分布難以直接成像；2）熱塵埃發(fā)射源（如紅外星云）只代表塵埃密度較高的區(qū)域，無法反映整體分布；3）需要區(qū)分來自塵埃的熱發(fā)射和來自星光被塵埃散射的反射光，兩者可能混合；4）背景星光會淹沒來自塵埃的弱信號，尤其是在塵埃密度較低的區(qū)域；5）圖像處理和校準的復雜性。四、計算題1.解：(1)計算A_V:A_V=0.6*(B-V)_obs=0.6*0.8=0.48mag(2)計算τ_V:τ_V=3.1*A_V=3.1*0.48≈1.49答案：A_V≈0.48mag，τ_V≈1.492.解：ρ=0.3*T2*ξ?1.5ρ=0.3*(100K)2*(0.1pc)?1.5ρ=0.3*10000*(10?1)?1.?ρ=0.3*10000*101.?ρ=0.3*10000*31.6228ρ≈9486.84g/cm3答案：ρ≈9487g/cm3(保留適當有效數(shù)字)五、論述題論述思路：1.主要方法：*遮蔽法/紅化法：原理是基于塵埃吸收可見光導致星光紅化（顏色變紅）和光度損失（視星等變暗）。通過觀測恒星的視星等和顏色（色指數(shù)），結(jié)合已知恒星的光度reddening關(guān)系式或星際介質(zhì)模型（如CLF模型），反推出reddeningA_V，再結(jié)合A_V與密度的關(guān)系（如Steffen-Bolte關(guān)系）或光學厚度τ與密度的關(guān)系（τ=k*A_V）來估算塵埃密度。這是最常用的方法，尤其適用于測量銀盤內(nèi)或附近區(qū)域的塵埃密度。*紅外成像法：原理是觀測星際塵埃自身發(fā)射的紅外輻射（熱塵埃輻射，主要在遠紅外波段）或反射的星光（反射星云，主要在近紅外波段）。通過分析紅外圖像的亮度分布，可以繪制光度測光reddening圖（PhotometricReddeningPlot），確定塵埃密度較高的區(qū)域。熱塵埃成像可以提供塵埃大致的分布，但通常只代表較熱、較密的塵埃。反射星云成像需要區(qū)分塵埃反射光和氣體發(fā)射光。此方法直觀，但數(shù)據(jù)處理復雜，且對冷塵埃敏感度低。*微波輻射法：原理是觀測星際塵埃在微波波段（約1-1000GHz，對應遠紅外）發(fā)出的同步輻射或熱輻射。這些輻射主要來自溫度較高的塵埃（>60K）。通過測量微波源的總功率或譜指數(shù)，可以間接估計塵埃的總量或密度分布。此方法對熱塵埃敏感，但難以探測到主要的冷塵埃。*散射法：原理是觀測星光被星際塵埃散射的光。例如，當背景星足夠亮時，可能觀測到類似螢火蟲的星云現(xiàn)象，即星光在塵埃云后散射形成明亮的邊緣。通過分析散射光的分布和強度，可以推斷塵埃的位置和密度。2.原理簡述：上述方法都基于塵埃與電磁輻射或氣體相互作用的基本物理過程（吸收、散射、發(fā)射）。3.優(yōu)勢與局限性：*遮蔽法：優(yōu)勢是原理簡單、應用廣泛、可測銀盤內(nèi)大部分區(qū)域。局限性是依賴精確的reddening關(guān)系式，而這些關(guān)系式本身就有