2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星團恒星質(zhì)量和演化速度考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)。）1.在研究疏散星團成員恒星質(zhì)量時，最關(guān)鍵的觀測依據(jù)是（）。A.星團的整體紅移B.星團中存在的大質(zhì)量恒星C.主序星列的延伸范圍（Turn-off點）D.星團中白矮星的數(shù)量2.下列哪種天體通常不用于精確測量恒星質(zhì)量？（）A.軌道周期已知的長周期食雙星B.短周期共軛白矮星（貓眼星）C.單星（通過光譜分析估計光度）D.距離測定精確的中子星3.根據(jù)恒星演化理論，一顆初始質(zhì)量為10倍太陽質(zhì)量的恒星，其最終演化成的天體最可能是（）。A.白矮星B.中子星C.超巨星D.類星體4.赫羅圖（H-RDiagram）在研究恒星演化中的主要作用是（）。A.繪制星團的空間分布B.描述不同類型恒星的光度與表面溫度關(guān)系C.測量恒星的實際距離D.確定恒星的自轉(zhuǎn)速度5.所謂“星團成員按質(zhì)量分選”，指的是（）。A.星團中質(zhì)量大的恒星比質(zhì)量小的恒星年齡更大B.星團在形成后，質(zhì)量較大的恒星由于移動速度更快而逐漸散離C.星團中不同質(zhì)量級別的恒星呈現(xiàn)出明顯的空間分層結(jié)構(gòu)D.觀測到的星團顏色-星等圖比理論預測的更分散6.利用主序星列來確定星團年齡時，其基本原理是（）。A.主序星的光度與其質(zhì)量成正比B.不同年齡星團的Turn-off點在赫羅圖上的位置不同C.主序星的表面溫度與其年齡成反比D.星團中恒星的絕對星等是已知的7.估算一個疏散星團的總質(zhì)量時，如果僅考慮主序星，通常采用的方法是（）。A.對所有星進行視星等測量，然后利用一個平均的質(zhì)光關(guān)系B.僅測量最亮的主序星，利用其光譜型確定質(zhì)量C.測量Turn-off點的星等，結(jié)合質(zhì)光關(guān)系估算D.計算星團中所有白矮星的質(zhì)量總和8.恒星從主序階段向紅巨星階段演化時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生的主要變化是（）。A.核心氫耗盡，核心收縮，外層膨脹B.核心開始燃燒氦，體積迅速膨脹C.核心溫度和壓力急劇下降D.恒星表面開始出現(xiàn)強烈的脈動9.與低質(zhì)量恒星相比，大質(zhì)量恒星演化速度更快的主要原因是（）。A.核反應(yīng)速率更快，核心溫度更高B.表面重力更大，更容易失去物質(zhì)C.赫羅圖上位置更靠左上角D.質(zhì)量更大，引力勢能更高10.疏散星團的一個重要特征是（）。A.星團成員的年齡都相同B.星團成員的質(zhì)量分布范圍很廣C.星團的空間尺度很大，但成員星密集d.星團內(nèi)部沒有明顯的運動二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.測量恒星質(zhì)量最直接的方法是利用______雙星的軌道動力學。2.對于沒有雙星成分的孤立單星，可以通過測量其______和______來間接估計質(zhì)量。3.恒星的質(zhì)光關(guān)系表明，恒星的絕對星等與其質(zhì)量呈______關(guān)系（正/反）。4.利用白矮星的______可以較為精確地測定星團年齡，因為白矮星的質(zhì)量和初始溫度與其光度密切相關(guān)。5.恒星演化速度是指恒星物理參數(shù)（如______、______等）隨______變化的快慢。6.赫羅圖上的主序帶代表了處于______階段、主要依靠______核反應(yīng)提供能量的恒星。7.疏散星團通常呈現(xiàn)出______分布，這意味著星團中較______的成員可能相對______。8.大質(zhì)量恒星演化后期會經(jīng)歷______階段，其核心會崩潰形成______。9.星團的質(zhì)量分布函數(shù)描述了星團中______的恒星數(shù)量隨______的分布情況。10.觀測星團時，如果發(fā)現(xiàn)其成員星主要分布在赫羅圖的主序帶，且沒有明顯的______或______，則可以推斷該星團相對較______。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題。）1.簡述利用主序星列確定星團年齡的基本思路。2.解釋什么是“星團成員按質(zhì)量分選”，并簡述其可能的原因。3.比較大質(zhì)量恒星（如10M☉）和小質(zhì)量恒星（如0.8M☉）在演化路徑和最終結(jié)局上的主要區(qū)別。四、計算題（每題7分，共14分。請寫出計算過程和結(jié)果。）1.假設(shè)一個星團的主序星段大致可以用質(zhì)光關(guān)系M=4.0*M☉*(V+5)?2.5來近似描述，其中M為恒星質(zhì)量（以太陽質(zhì)量M☉為單位），V為星等（以V星等計）。已知該星團的Turn-off星等為V=12.0。請估算該星團中恒星的最大初始質(zhì)量（即主序最亮星的初始質(zhì)量）。2.一個星團中觀測到一顆白矮星，其絕對星等MV=-8.0，光度L=1.0*10^30瓦特。已知太陽的光度L☉=3.8*10^26瓦特，太陽的絕對星等MV☉=4.8。請估算這顆白矮星的初始質(zhì)量（假設(shè)白矮星的質(zhì)量與其光度成正比，且其初始質(zhì)量約等于其最終質(zhì)量）。五、論述題（10分。請結(jié)合所學知識，深入分析和回答下列問題。）討論觀測數(shù)據(jù)（如顏色-星等圖）如何幫助我們理解星團成員恒星的質(zhì)量分布和演化歷史。指出其中可能遇到的主要挑戰(zhàn)和限制。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.B6.B7.A8.A9.A10.A二、填空題1.軌道周期已知2.光度、距離3.正4.光度5.光度、半徑、年齡6.主序、氫7.球狀、大、少（或遠）8.紅巨星、中子星9.質(zhì)量、質(zhì)量10.Turn-off點、紅巨星支、年輕三、簡答題1.解析思路：確定主序星段的上限，即Turn-off星。Turn-off星是年齡較大時，核心尚未完全耗盡氫而仍位于主序帶的恒星。通過觀測星團赫羅圖確定Turn-off星等的V值。根據(jù)Turn-off星的光度（或其對應(yīng)的V星等），結(jié)合星團的整體顏色（或年齡），在理論赫羅圖上可以找到對應(yīng)的年齡。主序階段持續(xù)時間與恒星質(zhì)量成反比，質(zhì)量越大，主序停留時間越短。通過Turn-off星的質(zhì)量和其對應(yīng)的演化時間，可以推斷出星團的大致年齡。2.解析思路：質(zhì)量分選是指在一個形成時可能具有均勻初始質(zhì)量分布的星團中，經(jīng)過長時間演化，較重的恒星由于內(nèi)部能量損失（如風損失）或外部擾動（如潮汐力），比較輕的恒星運動得更快，逐漸從星團中散逸出去或分布到星團之外的現(xiàn)象。這導致觀測到的星團中，較輕的恒星相對較多，而較重的恒星相對較少，使得星團的光度函數(shù)或顏色-星等圖呈現(xiàn)出向低質(zhì)量端傾斜的趨勢。3.解析思路：大質(zhì)量恒星（如10M☉）核心溫度壓力極高，核反應(yīng)速率極快，壽命很短（數(shù)百萬年），迅速耗盡核心氫，隨后經(jīng)歷快速演化階段（如紅超巨星），核心相繼燃燒氦、碳、氧等重元素，最終可能形成中子星或黑洞。其演化速度快，在赫羅圖上軌跡陡峭。小質(zhì)量恒星（如0.8M☉）核心溫度壓力低，核反應(yīng)慢，壽命極長（數(shù)十億年），主要在主序階段燃燒氫，最終演化為體積較小的白矮星。其演化速度慢，大部分時間停留在主序帶末端附近，在赫羅圖上軌跡平緩。四、計算題1.解析思路：將Turn-off星的星等V=12.0代入質(zhì)光關(guān)系M=4.0*M☉*(V+5)?2.5，計算出其對應(yīng)的質(zhì)量M。注意V+5=17.0。M=4.0*M☉*(17.0)?2.?M=4.0*M☉*(17.0?2.?)M≈4.0*M☉*0.044M≈0.176M☉答：該星團中恒星的最大初始質(zhì)量約為0.176倍太陽質(zhì)量。2.解析思路：首先計算太陽和白矮星的絕對星等差ΔMV，然后利用星等與光度的關(guān)系L∝10^(-0.4*MV)計算兩者光度比，最后利用光度比和太陽質(zhì)量估算白矮星質(zhì)量。ΔMV=MV☉-MV=4.8-(-8.0)=4.8+8.0=12.8光度比L_白矮星/L_太陽=10^(-0.4*ΔMV)=10^(-0.4*12.8)L_白矮星/L_太陽=10^(-5.12)L_白矮星≈7.58*10^(-6)*L_太陽L_太陽≈3.8*10^26WL_白矮星≈7.58*10^(-6)*3.8*10^26W≈2.89*10^21W假設(shè)初始質(zhì)量約等于最終質(zhì)量M≈M_白矮星。M_白矮星/M_太陽=L_白矮星/L_太陽M_白矮星=(L_白矮星/L_太陽)*M_太陽M_白矮星≈(7.58*10^(-6))*(3.8*10^26)/(3.8*10^26)*M_太陽M_白矮星≈7.58*10^(-6)M_太陽M_白矮星≈0.00000758M_太陽答：這顆白矮星的初始質(zhì)量約為0.00000758倍太陽質(zhì)量。五、論述題解析思路：觀測星團的顏色-星等圖（即赫羅圖）是研究星團成員質(zhì)量和演化的核心手段。1.確定年齡：星團成員的年齡可以通過尋找赫羅圖上主序帶向紅巨星支過渡的“Turn-off”點來確定。Turn-off星是年齡較大時仍在主序的恒星，其位置取決于年齡和初始質(zhì)量。通過Turn-off星等的顏色和星等，可以在理論赫羅圖上找到對應(yīng)的年齡。這為我們提供了星團成員演化的時間起點。2.確定質(zhì)量分布：在給定年齡的赫羅圖上，主序帶的存在范圍（即最暗的主序星和Turn-off星的星等）反映了當時星團中存在的最低和最高質(zhì)量恒星。結(jié)合主序質(zhì)光關(guān)系，可以反推當時星團成員的質(zhì)量分布范圍。如果赫羅圖上還存在白矮星、紅巨星或超巨星（取決于年齡），也可以利用它們來進一步限制質(zhì)量分布或確定星團的總質(zhì)量。3.研究演化：通過比較不同年齡星團（如果觀測到）的赫羅圖，或者通過模擬計算，可以研究恒星演化過程中不同質(zhì)量恒星在赫羅圖上的軌