2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——脈沖星的觀測(cè)及研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的首字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.脈沖星自轉(zhuǎn)能量的主要損失機(jī)制是：(A)脈沖星磁場(chǎng)與周圍等離子體的相互作用(B)脈沖星輻射損失(C)脈沖星內(nèi)部的摩擦和不可逆過程(D)來自伴星的質(zhì)量轉(zhuǎn)移2.下列哪種類型的脈沖星通常具有最高的磁場(chǎng)強(qiáng)度？(A)普通脈沖星(B)超快速自轉(zhuǎn)脈沖星(C)中子星(D)古脈沖星3.脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）主要利用脈沖星的哪些性質(zhì)來探測(cè)引力波？(A)脈沖到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)延遲(B)脈沖寬度的變化(C)脈沖強(qiáng)度的調(diào)制(D)脈沖周期的變化4.在脈沖星雙星系統(tǒng)中，如果脈沖星是致密天體，那么其伴星最可能是什么？(A)恒星(B)行星(C)白矮星(D)星系5.脈沖星的“燈塔效應(yīng)”是指：(A)脈沖星磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化(B)脈沖星自轉(zhuǎn)速度隨時(shí)間減慢的現(xiàn)象(C)由于脈沖星自轉(zhuǎn)和磁軸指向變化，導(dǎo)致脈沖信號(hào)在地球上的可見性隨時(shí)間變化的現(xiàn)象(D)脈沖星輻射的能量主要集中在特定頻率范圍6.用于探測(cè)脈沖星信號(hào)的全天空掃描方法通常需要：(A)極高的接收機(jī)帶寬(B)極長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間(C)高分辨率的天線陣列(D)高靈敏度的低頻天線7.脈沖星導(dǎo)航（XNAV）利用的脈沖星資源主要是：(A)分布在太陽系內(nèi)的脈沖星(B)分布在銀河系內(nèi)的脈沖星(C)分布在整個(gè)可觀測(cè)宇宙的脈沖星(D)具有高亮度和高重復(fù)率的脈沖星8.脈沖星的“周跳”（ΔP）是指：(A)脈沖星自轉(zhuǎn)周期的長(zhǎng)期漂移(B)脈沖星自轉(zhuǎn)速度的短期突變(C)脈沖星到達(dá)時(shí)間在周期內(nèi)的隨機(jī)波動(dòng)(D)脈沖星磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化9.脈沖星磁場(chǎng)的研究主要依賴于：(A)脈沖星的光譜觀測(cè)(B)脈沖星的脈沖形態(tài)和計(jì)時(shí)特性(C)脈沖星的徑向速度測(cè)量(D)脈沖星的軌道參數(shù)分析10.脈沖星作為宇宙探針，能夠幫助我們研究：(A)宇宙的年齡和膨脹速率(B)星際介質(zhì)的密度和溫度(C)星際磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度(D)以上所有二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題后的橫線上。）1.脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，其強(qiáng)大的__________和快速的__________使其成為強(qiáng)大的射電發(fā)射源。2.脈沖星信號(hào)通常具有很強(qiáng)的方向性，這主要源于其__________的幾何形狀。3.脈沖星的周期變率（ΔP/Δt）與其內(nèi)部的__________過程有關(guān)，可以用來約束中子星的__________。4.脈沖星雙星系統(tǒng)中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移可以通過__________現(xiàn)象（如赫羅圖位移）被探測(cè)到。5.利用脈沖星作為“宇宙時(shí)鐘”進(jìn)行計(jì)時(shí)，主要關(guān)注其脈沖到達(dá)時(shí)間的__________。6.脈沖星在__________波段也可以被探測(cè)到，這為其研究提供了新的途徑。7.脈沖星的星震學(xué)研究表明，中子星的__________可能存在可觀的物質(zhì)對(duì)流。8.脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）通過監(jiān)測(cè)大量脈沖星的__________變化來探測(cè)引力波信號(hào)。9.脈沖星磁場(chǎng)的研究對(duì)于理解中子星的__________和__________至關(guān)重要。10.脈沖星的自轉(zhuǎn)演化最終會(huì)使其進(jìn)入__________階段，此時(shí)其周期變率可能變得非?？?。三、名詞解釋（每題3分，共15分。請(qǐng)給出每個(gè)名詞的英文全稱和簡(jiǎn)要解釋。）1.LighthouseEffect2.PulsarTimingArray(PTA)3.SuperfastPulsar4.Magnetar5.XNAV四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述脈沖星的基本形成機(jī)制。2.簡(jiǎn)述脈沖星信號(hào)是如何被探測(cè)到的，并說明主要面臨哪些噪聲干擾。3.簡(jiǎn)述脈沖星計(jì)時(shí)在科學(xué)研究中至少兩個(gè)主要應(yīng)用。4.簡(jiǎn)述脈沖星雙星系統(tǒng)作為研究天體物理過程的重要實(shí)驗(yàn)室。五、計(jì)算題（每題6分，共12分。）1.假設(shè)一個(gè)脈沖星的自轉(zhuǎn)周期為1.5毫秒（P=1.5ms），觀測(cè)到其周期變率為10納秒/年（ΔP/Δt=10ns/yr）。如果該脈沖星處于一個(gè)脈沖星雙星系統(tǒng)中，并且雙星軌道周期為10天。請(qǐng)估算該雙星系統(tǒng)的軌道半長(zhǎng)徑（假設(shè)脈沖星質(zhì)量為1.4M☉，引力常數(shù)G=6.67430×10?11m3kg?1s?2，光速c=3.0×10?m/s）。提示：可以使用簡(jiǎn)諧振動(dòng)的公式R≈(G(M+m)c2/4π2)^(1/3)P_orb^(2/3)，其中M是脈沖星質(zhì)量，m是伴星質(zhì)量，P_orb是軌道周期。2.一個(gè)脈沖星的磁場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)為1012高斯（G）。根據(jù)皮帕德關(guān)系（B~P^(-2/3)），估算該脈沖星的自轉(zhuǎn)周期是多少？（假設(shè)參考磁場(chǎng)強(qiáng)度為10?G對(duì)應(yīng)的周期為1秒）。六、論述題（10分。）結(jié)合脈沖星的基本性質(zhì)和研究方法，論述脈沖星在探索宇宙介質(zhì)、星際磁場(chǎng)以及檢驗(yàn)基礎(chǔ)物理理論等方面的重要作用。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.C5.C6.B7.C8.C9.B10.D二、填空題1.磁場(chǎng)，自轉(zhuǎn)2.磁偶極輻射3.內(nèi)部，質(zhì)量4.Rochelobeoverflow5.穩(wěn)定性，變化6.X射線7.星幔，內(nèi)部結(jié)構(gòu)8.到達(dá)時(shí)間9.形成，演化10.古脈沖星三、名詞解釋1.LighthouseEffect:Thelighthouseeffectreferstothephenomenonwheretherotationaxisandthemagneticaxisofapulsararenotaligned,causingtheradiobeamemittedfromthemagneticpoletosweepacrosstheskylikealighthousebeam.WhenthebeampassesacrosstheEarth'slineofsight,weobserveapulse.2.PulsarTimingArray(PTA):PulsarTimingArray(PTA)isamethodthatusesthetimingdataofalargenumberofpulsarsdistributedacrossthegalaxytodetectlow-frequencygravitationalwaves.Bymonitoringthearrivaltimesofpulseswithextremelyhighprecision,PTAaimstomeasurethecumulativeeffectofgravitationalwavepassingthroughthearray.3.SuperfastPulsar:Superfastpulsarsareatypeofpulsarwithextremelyfastrotationperiods,typicallylessthan10milliseconds,andveryhighmagneticfields,oftenexceeding10^14Gauss.Theirformationmechanismisstillatopicofresearchandmayberelatedtoaccretionormergers.4.Magnetar:Amagnetarisatypeofneutronstarwithanextremelystrongmagneticfield,typicallyontheorderof10^14to10^15Gauss.Theintensemagneticfieldleadstopowerfulmagneticfielddecayprocesses,causingX-rayandgamma-rayflares.5.XNAV:XNAV(X-rayNavigation)referstotheconceptofusingX-raypulsarsasbeaconsfornavigationinspace.BypreciselymeasuringthearrivaltimesofX-raypulsesfromasetofknownpulsars,itispossibletodeterminethepositionandvelocityofaspacecraft.四、簡(jiǎn)答題1.脈沖星的基本形成機(jī)制通常與超新星爆發(fā)有關(guān)。大質(zhì)量恒星生命末期發(fā)生核心塌縮，形成中子星。同時(shí)，強(qiáng)大的沖擊波將中子星加速至非常高的轉(zhuǎn)速（接近光速限制）。恒星內(nèi)部強(qiáng)大的磁場(chǎng)被繼承并可能被進(jìn)一步放大。如果中子星的磁軸與自轉(zhuǎn)軸不重合，并且其磁極指向地球，當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁極發(fā)出的定向電磁輻射束就如同燈塔的燈光一樣掃過地球，從而被我們探測(cè)到脈沖信號(hào)。2.脈沖星信號(hào)探測(cè)主要利用射電望遠(yuǎn)鏡接收來自脈沖星的微弱射電信號(hào)。其基本流程包括：信號(hào)從脈沖星發(fā)出，穿過星際介質(zhì)，到達(dá)地球并被射電接收機(jī)接收，經(jīng)過低噪聲放大，然后通過濾波器（如FIR濾波器）提取出脈沖信號(hào)，最后進(jìn)行數(shù)字化記錄和后續(xù)分析。主要噪聲干擾包括：來自太陽、銀河系和地球自身的射電噪聲（熱噪聲），來自宇宙射電背景的噪聲，以及由大氣、儀器自身產(chǎn)生的非熱噪聲等。3.脈沖星計(jì)時(shí)在科學(xué)研究中的主要應(yīng)用包括：(1)探測(cè)引力波：通過監(jiān)測(cè)大量脈沖星的到達(dá)時(shí)間變化，脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）可以探測(cè)到來自超大規(guī)模宇宙事件（如黑洞合并）產(chǎn)生的納赫茲（nHz）引力波。(2)精確測(cè)量宇宙參數(shù)：脈沖星的周期和周期變率極其穩(wěn)定，可以作為精確的“時(shí)鐘”，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)其變化可以約束宇宙的年齡、膨脹速率、暗能量性質(zhì)等基本參數(shù)。4.脈沖星雙星系統(tǒng)是研究天體物理過程的重要實(shí)驗(yàn)室，原因在于：(1)提供極端物理?xiàng)l件：系統(tǒng)中的致密天體（脈沖星或中子星）具有極高的密度、強(qiáng)大的磁場(chǎng)和極高的表面重力，可以在其中研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)行為。(2)驗(yàn)證廣義相對(duì)論：通過精確測(cè)量脈沖星的軌道參數(shù)、自轉(zhuǎn)演化、引力波輻射等，可以檢驗(yàn)廣義相對(duì)論在強(qiáng)引力場(chǎng)和高速運(yùn)動(dòng)下的預(yù)言。(3)研究物質(zhì)轉(zhuǎn)移和磁場(chǎng)耦合：在雙星系統(tǒng)中，質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磁場(chǎng)相互作用可以導(dǎo)致各種現(xiàn)象，如赫羅圖位移、X射線流、磁場(chǎng)演化等，為理解致密天體形成和演化提供線索。(4)探測(cè)引力波：一些脈沖星雙星系統(tǒng)在演化過程中會(huì)輻射引力波，如磁星脈沖星雙星，可以被引力波探測(cè)器（如LIGO、Virgo）探測(cè)到。五、計(jì)算題1.使用提示公式R≈(G(M+m)c2/4π2)^(1/3)P_orb^(2/3)。M=1.4M☉=1.4×1.989×10^30kgP_orb=10days=10×24×3600sG=6.67430×10?11m3kg?1s?2c=3.0×10?m/s代入計(jì)算：R≈[(6.67430×10?11×(1.4×1.989×10^30+m)×(3.0×10?)2)/(4×3.141592)]^(1/3)×(10×24×3600)^(2/3)由于題目未給出伴星質(zhì)量m，通常在初步估算時(shí)可以假設(shè)伴星質(zhì)量遠(yuǎn)小于脈沖星質(zhì)量，即M+m≈M。則：R≈[(6.67430×10?11×1.4×1.989×10^30×(3.0×10?)2)/(4×3.141592)]^(1/3)×(10×24×3600)^(2/3)R≈[1.877×10^44/1.974×10?]^(1/3)×(8.64×10?)^(2/3)R≈[9.549×10^43]^(1/3)×(8.64×10?)^(2/3)R≈[9.549×10^14]^(1/3)×(4.93×102)^(2/3)R≈[9.549×10^14]^(1/3)×(4.93×102)^(2/3)R≈9.84×10^4m×(4.93×102)^(2/3)R≈98.4km×(4.93×102)^(2/3)R≈98.4km×(4.93×102)^(0.6667)R≈98.4km×14.3R≈1407km答：估算的軌道半長(zhǎng)徑約為1407公里。2.皮帕德關(guān)系近似為B∝P^(-2/3)。令B_ref=10?G對(duì)應(yīng)P_ref=1s，B_target=1012G為目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度，P_target為目標(biāo)周期。B_target/B_ref=(P_ref/P_target)^(2/3)1012/10?=(1s/P_target)^(2/3)10?=(1/P_target)^(2/3)P_target^(2/3)=10??P_target=(10??)^(3/2)P_target=10^(-9)答：估算的脈沖星自轉(zhuǎn)周期約為10??秒。六、