2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際射電輻射的起源探索考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.射電天文學(xué)2.自由電子密度3.磁場強(qiáng)度4.同步加速輻射5.分子譜線二、填空題（每空2分，共20分）1.射電輻射是指波長從_______米到1毫米的電磁波。2.星際介質(zhì)主要由_______、_______和少量離子、原子以及星際塵埃組成。3.當(dāng)帶電粒子（通常是電子）在磁場中做螺旋運(yùn)動時，會輻射出_______輻射。4.水分子（H?O）的射電躍遷主要發(fā)生在_______波段，其21厘米譜線來自_______能級躍遷。5.超新星遺跡是_______爆發(fā)的產(chǎn)物，通常是強(qiáng)烈的射電源。三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述同步加速輻射的物理機(jī)制及其輻射譜的主要特征。2.比較脈沖星和超新星遺跡作為射電源的主要區(qū)別。3.簡述分子云如何通過射電波段的譜線來為我們揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)信息。4.射電干涉測量為什么需要使用多個天線組成陣列？其基本原理是什么？5.解釋什么是星際磁場，天文學(xué)家通常使用哪些方法來探測和研究它？四、論述題（每題15分，共30分）1.詳細(xì)論述星際塵埃在射電天文學(xué)中的作用，包括它如何產(chǎn)生射電輻射以及這些輻射對于理解星際環(huán)境有何重要性。2.選擇一種你感興趣的射電源類型（如氨分子云、氫原子云、磁星等），描述其主要的物理性質(zhì)、形成原因、觀測到的特征，并說明它為天文學(xué)研究提供了哪些關(guān)鍵信息。試卷答案一、名詞解釋1.射電天文學(xué)：利用射電波段（波長從米到毫米的電磁波）進(jìn)行天文觀測和研究的天文學(xué)分支。2.自由電子密度：單位體積中自由電子的數(shù)量，是描述星際介質(zhì)電離狀態(tài)的重要參數(shù)，對同步加速輻射等過程至關(guān)重要。3.磁場強(qiáng)度：描述磁場強(qiáng)弱的物理量，通常用高斯（G）或特斯拉（T）表示，星際磁場是驅(qū)動同步加速輻射等過程的關(guān)鍵因素。4.同步加速輻射：帶電粒子（通常是電子）在磁場中做螺旋運(yùn)動時，其切向運(yùn)動產(chǎn)生的同步輻射；或粒子在磁場和電場（如相對論性粒子束與等離子體相互作用產(chǎn)生的電場）中運(yùn)動時發(fā)出的輻射，譜線通常較寬。5.分子譜線：分子在能級之間躍遷時發(fā)射或吸收特定頻率的電磁波（通常是射電或紅外波段），這些特征譜線可用于探測分子、確定其分布、密度和運(yùn)動狀態(tài)。二、填空題1.1毫米2.原子，分子3.同步4.1.3厘米；基5.超新星三、簡答題1.解析思路：首先說明同步加速輻射是帶電粒子（電子）在磁場中做螺旋運(yùn)動（回旋運(yùn)動）時，其加速運(yùn)動產(chǎn)生的輻射。關(guān)鍵在于粒子在磁場洛倫茲力的作用下做半徑為r=mv⊥/qB的螺旋運(yùn)動，其中v⊥是粒子速度的垂直分量，B是磁場強(qiáng)度。粒子在回旋過程中不斷改變速度方向，進(jìn)行加速，從而輻射能量。輻射譜的特征通常表現(xiàn)為非熱譜，具有較硬的譜指數(shù)（通常小于半功率譜指數(shù)α<0.5，甚至更?。?，且強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度、電子能量（或密度）的平方成正比。2.解析思路：脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，具有極強(qiáng)的磁場（可達(dá)10?-1011高斯）和快速旋轉(zhuǎn)的致密核心。其射電輻射來自磁極區(qū)域相對地球的“磁極星風(fēng)”或“粒子束”的同步加速輻射。輻射集中在磁極方向，以窄脈沖形式射出，周期與中子星自轉(zhuǎn)周期一致，脈沖寬度可從毫秒級到秒級。超新星遺跡是超新星爆發(fā)沖擊波掃過周圍的星際介質(zhì)形成的膨脹氣泡狀結(jié)構(gòu)。其射電輻射主要來自沖擊波與星際氣體相互作用加速電子產(chǎn)生的同步加速輻射，以及其中可能包含的脈沖星。輻射通常比較彌散，分布在整個遺跡區(qū)域，譜線可能較寬，整體呈現(xiàn)光滑的輻射殼層或復(fù)合結(jié)構(gòu)。兩者在輻射機(jī)制、能量來源、空間形態(tài)、譜線特征和動態(tài)演化等方面有本質(zhì)區(qū)別。3.解析思路：分子云的主要成分是分子（如H?O,CO,NH?等），它們在特定的低溫和密度條件下存在。分子在能級或振轉(zhuǎn)躍遷時會發(fā)射或吸收特定頻率的射電譜線。通過射電望遠(yuǎn)鏡觀測這些譜線，可以確定分子的空間分布（通過位置測量和干涉成像）、密度（通過譜線強(qiáng)度和輻射平衡計算）、溫度、動量（通過譜線展寬和赤道拖尾分析）以及形成氣體動力學(xué)過程（如密度波、星風(fēng)沖擊）。這些譜線是研究分子云結(jié)構(gòu)、形成恒星的過程以及星際化學(xué)演化的關(guān)鍵工具。4.解析思路：單個射電天線只能接收來自整個天空的信號，無法分辨天空中的細(xì)節(jié)，且分辨率受天線尺寸限制（角分辨率δ≈λ/(D*sinα)，D為天線直徑，λ為波長，α為視角）。射電干涉測量通過將多個天線組合成一個陣列，利用它們接收到的信號之間的相位差（干涉效應(yīng)）來模擬一個等效的、尺寸遠(yuǎn)大于單個天線的大型天線。當(dāng)兩束來自同一空間點(diǎn)的信號到達(dá)相鄰天線時產(chǎn)生相位差，通過比較不同天線對的信號相位差，可以精確計算出該空間點(diǎn)相對于天線陣列中心的方向。多個天線組合可以覆蓋不同的基線長度（天線間距），從而獲得不同角分辨率，通過綜合處理所有基線的干涉數(shù)據(jù)，最終合成高分辨率的圖像，揭示天體精細(xì)結(jié)構(gòu)。5.解析思路：星際磁場是彌漫在星際空間中的磁場，對宇宙線的傳播、射電波的自旋進(jìn)動、帶電粒子的運(yùn)動軌跡以及分子云的動力學(xué)都有重要影響。探測和研究星際磁場的方法主要有：①射電自旋回轉(zhuǎn)譜法：觀測星際介質(zhì)中中性原子（主要是氫原子）的21厘米譜線發(fā)生塞曼分裂（在磁場作用下能級分裂）和自旋進(jìn)動（能級之間的相對取向隨時間變化），通過分析譜線的分裂結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度隨時間的變化，可以反推磁場的大小和方向；②譜線輪廓變形法：觀測來自磁場方向和垂直方向的分子譜線，如果譜線輪廓因多普勒增寬和磁場調(diào)制而發(fā)生變形（如S形輪廓），可以推斷磁場的存在和部分性質(zhì)；③脈沖星法：利用脈沖星作為高速運(yùn)動的磁場探針，觀測其射電脈沖到達(dá)時間的變化（脈沖到達(dá)時間抖動PTT），可以精確測量其路徑所在區(qū)域的磁場強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)；④塵埃極化法：觀測星際塵埃發(fā)出的熱射電輻射，其偏振狀態(tài)會因磁場與塵埃相互作用而受到影響，通過分析塵埃輻射的偏振特性可以推斷磁場。四、論述題1.解析思路：首先闡述星際塵埃顆粒是星際介質(zhì)的重要組成部分，其大小通常在微米到亞微米級。從輻射產(chǎn)生角度看，塵埃顆粒在恒星紫外輻射和宇宙射線的作用下被電離和激發(fā)，會發(fā)射遠(yuǎn)紅外和射電波段的輻射（主要是熱輻射，但在特定條件下也有紅外發(fā)射）。從觀測和科學(xué)意義角度看：①塵埃是許多暗星云（可見光中不透明）的主要成分，其發(fā)射的射電輻射（特別是在厘米和分米波段）是揭示這些星云結(jié)構(gòu)、密度分布和內(nèi)部動力學(xué)（如分子云的膨脹）的主要手段；②塵埃的存在會吸收和散射可見光，使得隱藏在其中的年輕恒星和原行星盤難以直接觀測，但它們發(fā)出的紅外輻射可以穿透塵埃，為我們研究這些“隱身”天體提供了可能；③塵埃的射電熱輻射譜對星際塵埃的溫度和空間分布有依賴性，通過觀測這些輻射可以反演出塵埃的分布圖景，進(jìn)而約束星際介質(zhì)的物理條件；④塵埃與氣體云密切相關(guān)，其分布和特性反映了氣體的密度、溫度和運(yùn)動狀態(tài)，研究塵埃有助于我們更全面地理解星際環(huán)境的性質(zhì)和演化。2.解析思路：（選擇一種射電源進(jìn)行論述，以下以氨分子云為例）*氨分子云（NH?Clouds）：*物理性質(zhì)：氨分子云是含有大量氨分子（NH?）的巨分子云，通常位于星云的低溫（~10-30K）、高密度（>1000cm?3）區(qū)域。它們是形成恒星的候選地。氨分子具有較好的微波躍遷，使其成為射電天文學(xué)中探測巨分子云的有力工具。典型的氨分子云尺度可達(dá)數(shù)光年，包含數(shù)倍于太陽質(zhì)量的氨。*形成原因：巨分子云本身是在較冷的星云區(qū)域由冷卻的氣體和塵埃聚集形成的。在分子云內(nèi)部，當(dāng)氣體密度足夠高且溫度足夠低時，非自旋分子（如H?）可以通過碰撞和凍結(jié)在塵埃顆粒表面等方式，促使自旋分子（如NH?）形成。氨的三個氫原子呈三角錐形，具有自旋，其不同自旋態(tài)之間的躍遷可以輻射或吸收微波能量。*觀測到的特征：射電望遠(yuǎn)鏡可以探測到氨分子云發(fā)出的厘米波段譜線，主要是源于氨分子特定能級間躍遷的譜線（如23GHz的1H21NH?譜線）。通過觀測這些譜線的強(qiáng)度、多普勒輪廓（揭示云的線速度和運(yùn)動結(jié)構(gòu)，如膨脹流、密度波等）和空間分布（通過干涉成像），可以確定氨云的位置、大小、形狀、密度、溫度、動量以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如核心、環(huán)狀結(jié)構(gòu)、絲狀結(jié)構(gòu)等）。*