2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙中的星際分子云的分布考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.解釋星際分子云的形成過程，并說明其主要化學(xué)成分及其相對(duì)重要性。2.比較分子云與HII區(qū)的區(qū)別，并闡述為何CO譜線是探測分子云分布的關(guān)鍵工具。3.描述恒星反饋（特別是超新星爆發(fā)）對(duì)星際分子云結(jié)構(gòu)和空間分布的潛在影響機(jī)制。二、4.簡述射電天文觀測在研究星際分子云分布中的主要作用，并列舉至少三種可通過射電譜線探測的分子云物理性質(zhì)。5.闡述星際磁場在分子云形成和演化中的作用，并說明如何通過觀測推斷磁場性質(zhì)。6.指出星際湍流對(duì)分子云形成和恒星形成效率的影響，并簡述觀測湍流的主要方法。三、7.描述銀河系中分子云的主要分布特征，例如其在銀盤、銀暈或旋臂中的位置傾向。8.比較旋渦星系與星爆星系的分子云分布有何顯著不同，并分析造成這些差異的可能原因。9.以一個(gè)具體的分子云區(qū)域（如Orion或Taurus）為例，說明如何利用多波段觀測數(shù)據(jù)（如射電和紅外）來推斷該云的結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)。四、10.分析分子云的柱密度分布函數(shù)（N(H?)vs.R）所揭示的關(guān)于恒星形成活動(dòng)的重要信息。11.探討分子云的局部密度和溫度分布如何影響恒星形成的發(fā)生和星團(tuán)形成的特征（如星團(tuán)規(guī)模、年齡分布）。12.論述星際分子云的分布不僅是引力作用的結(jié)果，也深受恒星形成反饋、磁場和湍流等多種因素的調(diào)制，試述這些因素如何相互作用影響云的最終形態(tài)。試卷答案一、1.答案：星際分子云的形成通常發(fā)生在密度較高的冷暗云（CDMC）中，當(dāng)這些云受到引力不穩(wěn)定性（如自引力、密度波、沖擊波擾動(dòng)）時(shí)，會(huì)開始引力坍縮。隨著云核心密度增加，溫度升高，分子（主要是H?）形成效率提高。云的引力坍縮最終導(dǎo)致原恒星的形成。主要化學(xué)成分是分子氫（H?），此外還含有各種分子（如水、氨、碳化物等）、原子氣體、塵埃顆粒和冰粒。H?是豐度最高的分子，但難以直接探測，常通過探測其伴生或由其轉(zhuǎn)化而來的、具有特征譜線的分子（如CO）來間接確定其存在和豐度。解析思路：問題要求闡述形成過程和主要成分。形成過程需涉及冷暗云、引力坍縮、分子形成效率等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。成分需指出H?為主，并解釋為何常用探測伴生分子（如CO）來確定H?分布。2.答案：分子云與HII區(qū)的核心區(qū)別在于氣體密度和溫度：分子云密度極高（典型核心密度可達(dá)1000-10000cm?3），溫度很低（約10-30K），主要由中性分子（特別是H?）和塵埃組成；而HII區(qū)是恒星（通常是O、B型星）電離周圍的低密度（約100-1000cm?3）氣體區(qū)域，溫度較高（幾千K），主要由電離氫（H?）和原子氫（H）組成。CO分子在HII區(qū)的高溫下會(huì)被電離，但在分子云的低溫高密度環(huán)境下穩(wěn)定存在，并且CO的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)譜線能量較低，不易被星際塵埃吸收，且可探測到遠(yuǎn)紅外觀測波段，因此成為探測分子云的主要工具。解析思路：首先要明確HII區(qū)的定義和特點(diǎn)（低密度、高溫、電離氫）。然后對(duì)比兩者在密度、溫度、組成上的差異。最后重點(diǎn)解釋CO為何是探測分子云的關(guān)鍵，需結(jié)合CO的穩(wěn)定性（低溫）和譜線特性（能量低、波長遠(yuǎn)紅外，不易被塵埃吸收，易探測）。3.答案：恒星反饋，特別是超新星爆發(fā)，可以通過多種機(jī)制改變分子云的分布。強(qiáng)烈的沖擊波可以將分子云的氣體向外/expel，改變其原有邊界和形態(tài)；沖擊波加熱云內(nèi)氣體，提高其溫度，可能使分子解離，導(dǎo)致云的部分或全部演化成HII區(qū)；重元素的注入（通過超新星風(fēng)或爆發(fā)產(chǎn)物）可以改變云的化學(xué)組成，影響后續(xù)的分子形成和恒星形成效率；恒星級(jí)風(fēng)和星系風(fēng)也能持續(xù)剝離云的氣體，影響其質(zhì)量和密度分布。這些效應(yīng)可能導(dǎo)致分子云的碎裂、合并、位移甚至完全摧毀，從而改變其在星系內(nèi)的空間分布格局。解析思路：問題要求闡述恒星反饋（特別是超新星）對(duì)分布的影響機(jī)制。需列舉主要的物理過程：沖擊波作用（expel,heat,altercomposition）、恒星級(jí)/星系風(fēng)作用（stripgas）。并說明這些過程如何具體影響分子云的形態(tài)、邊界、化學(xué)成分和整體空間位置，即改變其分布。二、4.答案：射電天文觀測通過探測分子云中各種分子（如CO,CN,HCO?,NH?等）的譜線輻射，能夠直接探測到中性氣體冷區(qū)，這是構(gòu)成分子云的主要部分。不同分子的不同波段的譜線可以提供關(guān)于分子云不同密度區(qū)（致密核心、云主體）、不同溫度區(qū)、氣體動(dòng)壓力、化學(xué)演化階段以及恒星形成活動(dòng)等信息。射電望遠(yuǎn)鏡具有高靈敏度，能夠探測到來自極暗弱、極大尺度分子云的信號(hào)。因此，射電觀測是研究分子云分布、性質(zhì)和演化的核心手段。解析思路：首先點(diǎn)明射電觀測利用分子譜線探測中性氣體冷區(qū)。然后說明不同分子/波段譜線提供的信息（密度、溫度、動(dòng)壓、化學(xué)、形成活動(dòng)）。接著強(qiáng)調(diào)射電望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢（高靈敏度、探測暗弱/大尺度云）。最后總結(jié)其在研究分子云中的核心地位。5.答案：星際磁場是分子云中重要的約束和驅(qū)動(dòng)力量。它可以通過與氣體動(dòng)壓力的平衡來影響云的密度和結(jié)構(gòu)（如磁布料）；磁場可以限制湍流，影響分子云的碎裂和恒星形成效率；磁場線可以作為原恒星吸積盤的螺旋結(jié)構(gòu)或星團(tuán)中恒星軌道的指示器；通過觀測譜線線寬的塞曼分裂（磁場導(dǎo)致能級(jí)分裂）或譜線偏振，可以直接測量磁場強(qiáng)度和方向。磁場對(duì)分子云分布的影響體現(xiàn)在它如何塑造云的邊界、維持其結(jié)構(gòu)以及影響恒星形成后的反饋過程。解析思路：首先說明磁場的作用是約束和驅(qū)動(dòng)。然后分點(diǎn)闡述具體影響：與動(dòng)壓平衡影響密度結(jié)構(gòu)；限制湍流影響形成；指示原恒星/星團(tuán)結(jié)構(gòu)；通過塞曼效應(yīng)/偏振可測量磁場。最后總結(jié)磁場對(duì)云分布的宏觀影響。6.答案：星際湍流為分子云提供了必要的引力不穩(wěn)定性和能量，是驅(qū)動(dòng)云碎裂形成恒星的關(guān)鍵因素。強(qiáng)烈的湍流可以提高云內(nèi)氣體的聲速和Jeans質(zhì)量，使得云更容易碎裂成足夠小的核心以觸發(fā)恒星形成。湍流的速度場和能量分布影響恒星形成的速率和星團(tuán)的特征（如尺度、成員星質(zhì)量分布）。觀測湍流主要通過分析分子譜線的寬度（多普勒擴(kuò)展）來推斷，寬譜線表明存在湍流運(yùn)動(dòng)。此外，也可以通過觀測塵埃的溫度起伏或星團(tuán)內(nèi)部恒星運(yùn)動(dòng)的速度彌散來探測湍流。解析思路：首先說明湍流的關(guān)鍵作用是提供不穩(wěn)定性和能量，驅(qū)動(dòng)碎裂。接著闡述其對(duì)恒星形成速率和星團(tuán)特征的影響。最后重點(diǎn)說明探測湍流的主要方法：分析譜線多普勒寬度（最直接）、通過塵埃溫度起伏或星團(tuán)內(nèi)恒星速度彌散間接探測。三、7.答案：銀河系中分子云的主要分布特征是它們集中在銀盤內(nèi)，特別是旋臂和銀心區(qū)域。觀測表明，分子云在銀盤中的分布具有一定的傾斜角度（相對(duì)于銀河平面），且與旋臂結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通常沿著旋臂分布。銀心區(qū)域是分子云密度最高、最集中的地方。此外，在銀暈中也存在一些稀疏的分子云或極冷的H?云。分子云的分布還顯示出一定的徑向和垂向梯度。解析思路：問題要求描述銀河系分子云分布特征。需涵蓋主要區(qū)域（銀盤、旋臂、銀心）、空間分布模式（傾斜、沿旋臂）、密度分布特點(diǎn)（銀心集中）以及銀暈中的存在?；跇?biāo)準(zhǔn)銀河系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行描述。8.答案：旋渦星系的分子云通常分布在旋臂中，云的密度相對(duì)較高，尺度從幾十到幾百光年不等，柱密度分布較寬，恒星形成活動(dòng)活躍。星爆星系的分子云分布則更為彌散，可能在更大的空間范圍內(nèi)（包括銀暈）存在，但局部密度可能變化很大，且整體柱密度可能比旋渦星系高得多（由于劇烈的恒星形成）。星爆星系的分子云往往顯示出更強(qiáng)的恒星形成反饋跡象（如HII區(qū)、超新星遺跡分布更廣），并且化學(xué)演化可能更快，富含重元素。相比之下，旋渦星系的分子云分布與旋臂結(jié)構(gòu)更緊密耦合。解析思路：首先對(duì)比兩者在分布區(qū)域（旋臂vs更彌散，含銀暈）、云的密度和尺度、柱密度分布范圍上的差異。然后對(duì)比恒星形成活動(dòng)的強(qiáng)度（星爆更活躍）。最后對(duì)比化學(xué)演化（星爆更快、重元素更豐富）和恒星反饋的跡象。9.答案：利用多波段觀測研究分子云（以O(shè)rion為例）通常遵循以下思路：射電觀測（如CO譜線）確定分子云的整體分布、密度結(jié)構(gòu)和恒星形成核心的位置；紅外觀測（如利用紅外塵埃發(fā)射，如24μm波段）可以探測到被分子云遮擋的年輕恒星和致密核心，幫助確定星團(tuán)的位置和性質(zhì)，并估算云的塵埃含量；光學(xué)觀測可以識(shí)別云中的HII區(qū)（電離區(qū)邊界）、發(fā)射星云和行星狀星云（老年恒星風(fēng)產(chǎn)物），從而界定云的邊界并研究其外部環(huán)境；紫外觀測可以探測到非常年輕的O型星。通過綜合這些不同波段的觀測數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出分子云從中心（致密核心）到外部（HII區(qū)、光學(xué)/紫外源）的完整結(jié)構(gòu)和物理圖像，并分析其形成和演化歷史。解析思路：首先點(diǎn)明多波段觀測的核心思想是結(jié)合不同信息。以O(shè)rion為例，依次說明不同波段（射電CO、紅外塵埃、光學(xué)HII區(qū)/發(fā)射星云/行星狀星云、紫外O星）分別探測什么內(nèi)容。最后總結(jié)通過綜合這些信息可以構(gòu)建完整結(jié)構(gòu)、分析形成演化。四、10.答案：分子云的柱密度分布函數(shù)（N(H?)vs.R，即柱密度隨距離星系中心或銀心的變化關(guān)系）是研究星系結(jié)構(gòu)和恒星形成歷史的重要工具。通過分析N(H?)的分布，可以估算不同區(qū)域的總分子質(zhì)量，進(jìn)而推算出該區(qū)域的恒星形成率（因?yàn)榉肿釉剖呛阈切纬傻闹苯訄鏊?。陡峭的N(H?)分布可能意味著恒星形成效率較低或存在較多的未形成恒星的分子云；平坦或較緩的分布通常與較高的恒星形成效率和活躍的恒星形成活動(dòng)相關(guān)。此外，N(H?)分布的形狀和峰值位置也與星系的整體動(dòng)力學(xué)（如旋臂結(jié)構(gòu)、核球分布）和引力場密切相關(guān)。解析思路：首先說明柱密度分布函數(shù)的定義及其研究目的（估算質(zhì)量、恒星形成率）。然后解釋N(H?)分布的形狀（陡峭、平坦、緩坡）與恒星形成效率的關(guān)系。最后指出該分布與星系動(dòng)力學(xué)和引力場的關(guān)聯(lián)。11.答案：分子云的局部密度和溫度分布對(duì)其恒星形成活動(dòng)有直接影響。致密核心（通常密度>1000cm?3，溫度<30K）是恒星形成的場所。核心的密度越高，Jeans質(zhì)量越小，越容易引力坍縮形成恒星。高密度區(qū)域也更容易形成致密的星團(tuán)。云的溫區(qū)（溫度幾十K，密度較低）則影響恒星形成核心的形成速率和規(guī)模。溫度較高的區(qū)域不利于H?形成，限制了恒星形成的潛力。因此，云內(nèi)不同密度和溫度區(qū)域的分布格局決定了恒星形成發(fā)生的地點(diǎn)、速率以及形成的恒星和星團(tuán)的特征（如尺度、密度、年齡分布）。例如，高密度核心傾向于形成早期、大質(zhì)量恒星；而低密度區(qū)域則可能形成晚型、低質(zhì)量恒星或?qū)е滦纬煞稚⒌男菂f(xié)。解析思路：首先點(diǎn)明密度和溫度分布是關(guān)鍵。解釋高密度核心是形成恒星的場所，密度與Jeans質(zhì)量反相關(guān)，影響坍縮易難。解釋溫區(qū)影響H?形成和核心形成速率。然后說明這些因素如何共同決定恒星形成的地點(diǎn)、速率和星團(tuán)/恒星的最終特征。12.答案：星際分子云的分布是多種因素復(fù)雜相互作用的結(jié)果，并非單純由引力決定。引力是形成和維持云的基本力量，但云的分布深受其他因素的強(qiáng)烈調(diào)制。恒星反饋（超新星爆發(fā)和恒星級(jí)風(fēng)）通過沖擊波和星系風(fēng)將能量和物質(zhì)注入/剝離云，改變其形狀、密度和化學(xué)成分，甚至導(dǎo)致云的碎裂或位移，從而顯著影響其空間分布。磁場通過提供動(dòng)壓力、約束湍流和影響分子形成，間接調(diào)控云的結(jié)構(gòu)和分布。星際湍流是驅(qū)動(dòng)云碎裂形成恒星的關(guān)鍵，其強(qiáng)度和分布直接影響恒星形成