2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際空間中的宇宙磁場分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在星際介質(zhì)中，下列哪一項(xiàng)不是磁場的主要來源？A.恒星風(fēng)中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)B.早期宇宙殘留的磁場通過宇宙膨脹的稀釋和扭曲C.星云內(nèi)部氣體自身的熱運(yùn)動(dòng)D.恒星形成過程中原恒星盤的旋轉(zhuǎn)和帶電粒子運(yùn)動(dòng)2.觀測到某星際云塊的旋轉(zhuǎn)速度隨半徑增大而增加，但比根據(jù)經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測的更快，這可能暗示了：A.云塊內(nèi)部存在大量的暗物質(zhì)B.云塊內(nèi)部存在強(qiáng)烈的順向磁場，提供了額外的離心約束C.云塊正在經(jīng)歷快速的質(zhì)量損失D.觀測數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性的誤差3.譜線塞曼效應(yīng)主要利用了以下哪個(gè)物理原理？A.原子能級的躍遷B.帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡偏轉(zhuǎn)C.電磁波的共振吸收D.恒星大氣的不透明性4.法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的基本條件是：A.電磁波通過均勻的等離子體B.電磁波通過具有磁場和自由電子密度的介質(zhì)C.光源和觀測者之間存在引力透鏡效應(yīng)D.電磁波在通過不同折射率的介質(zhì)界面時(shí)發(fā)生反射5.波印廷羅盤模型主要用于解釋：A.星際磁場自身的產(chǎn)生機(jī)制B.恒星風(fēng)如何從星體表面流出C.旋轉(zhuǎn)星系的自轉(zhuǎn)曲線D.星際磁場如何影響年輕恒星盤的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)6.在討論星際磁場對分子云內(nèi)恒星形成的影響時(shí)，以下哪個(gè)因素通常被認(rèn)為是最關(guān)鍵的？A.磁場強(qiáng)度的大小B.磁場方向與分子云密度結(jié)構(gòu)的相對取向C.星際介質(zhì)的平均溫度D.附近恒星的類型和距離7.以下哪種天體物理現(xiàn)象可以直接提供關(guān)于星際磁場方向的獨(dú)立信息？A.譜線輪廓的致密吸收線B.法拉第旋轉(zhuǎn)測量的旋轉(zhuǎn)方向C.恒星視向速度的空間分布D.X射線源的溫度測量8.當(dāng)帶電粒子沿著磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它主要受到哪種力的作用？A.洛倫茲力B.萬有引力C.浮力D.離心力9.如果觀測到某個(gè)電離氫區(qū)（HII區(qū)）的譜線存在顯著的自吸收現(xiàn)象，這可能暗示：A.HII區(qū)內(nèi)部存在密度較高的中性氣體云B.觀測方向恰好穿過了星云的中心區(qū)域C.該區(qū)域的恒星光譜類型偏早D.儀器分辨率不足以分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)10.考慮到星際磁場的能量密度通常遠(yuǎn)小于熱能密度和動(dòng)能密度，以下哪個(gè)觀點(diǎn)最能解釋磁場在星際介質(zhì)中能夠發(fā)揮重要作用？A.磁場具有極高的能量，可以對等離子體施加強(qiáng)大的壓力B.磁場可以通過洛倫茲力直接阻止恒星的形成C.磁場可以有效地抑制或驅(qū)動(dòng)星際介質(zhì)的湍流運(yùn)動(dòng)D.磁場能夠束縛星際塵埃，使其免于被恒星風(fēng)吹散二、填空題（請將答案填寫在橫線上。每空2分，共20分）1.磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場________和________的物理量，通常用符號(hào)________表示。2.洛倫茲力是作用在運(yùn)動(dòng)________上，大小與磁場強(qiáng)度、粒子電荷量和粒子________的乘積成正比的力，其方向既垂直于磁場方向，也垂直于粒子速度方向。3.在星際介質(zhì)中，法拉第旋轉(zhuǎn)角（θ）與磁場強(qiáng)度（B）、電磁波波長（λ）和自由電子數(shù)密度（ne）之間的關(guān)系可以近似表示為θ∝________B/λ________ne。4.星際磁場的主要來源包括恒星風(fēng)、早期宇宙的________磁場、恒星形成過程中的________和________等。5.利用譜線塞曼效應(yīng)，可以通過測量塞曼分裂的________來間接推算出星際磁場的大小。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題。每題5分，共15分）1.簡述洛倫茲力在磁場中如何約束或加速帶電粒子。2.解釋什么是譜線致密吸收線，并簡述其與星際磁場觀測的關(guān)系。3.簡要說明波印廷羅盤模型的基本思想及其在解釋年輕恒星風(fēng)起源中的作用。四、計(jì)算題（請列出必要的公式和計(jì)算步驟。每題8分，共16分）1.假設(shè)觀測到一束波長為5000?的可見光通過一塊電子數(shù)密度為100cm?3的星際云，測得法拉第旋轉(zhuǎn)角為0.02弧度。請估算該云塊在該方向上的平均磁場強(qiáng)度（以高斯為單位）。已知真空磁導(dǎo)率μ?=4π×10??N/A2。2.一個(gè)帶電粒子（電荷量e=1.6×10?1?C，質(zhì)量m=1.67×10?2?kg）以速度v=10?m/s垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=1μT（微特斯拉）的均勻磁場運(yùn)動(dòng)。請計(jì)算該粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑（以米為單位）。五、論述題（請結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問題。共19分）結(jié)合星際磁場對分子云物理性質(zhì)和恒星形成過程的影響，論述磁場在觸發(fā)恒星形成中所扮演的復(fù)雜角色。請從磁場如何影響云的穩(wěn)定性、支撐云塊、調(diào)節(jié)原恒星盤的演化以及可能阻礙或促進(jìn)星周盤中的物質(zhì)流等方面進(jìn)行討論。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.D6.B7.B8.A9.A10.C二、填空題1.強(qiáng)度，方向，B2.帶電粒子，速度3.√，√4.殘留，原恒星盤，星風(fēng)5.輪廓分裂三、簡答題1.解析思路：洛倫茲力（F=q(v×B)）始終垂直于帶電粒子的速度方向。當(dāng)粒子速度方向與磁場方向不平行時(shí)，洛倫茲力提供向心力，使粒子做螺旋或圓周運(yùn)動(dòng)，從而將粒子約束在磁場線附近或特定軌道上。如果粒子帶負(fù)電，受力方向相反。在某些條件下，洛倫茲力也可以對粒子做正功或負(fù)功，從而改變粒子的能量（如粒子在磁場中回旋并與其他粒子或場相互作用時(shí)）。2.解析思路：譜線致密吸收線是指來自星際云塊內(nèi)部非常稠密區(qū)域（電子數(shù)密度高）的吸收線。當(dāng)光通過該區(qū)域時(shí)，不僅會(huì)被外部的自由電子引起塞曼分裂，還會(huì)因?yàn)閮?nèi)部高電子密度導(dǎo)致光子被大量吸收，形成吸收線。測量這些線的輪廓（特別是寬度和形狀）可以受到磁場中粒子運(yùn)動(dòng)（如順向/反平行運(yùn)動(dòng)）的影響，從而為磁場測量提供獨(dú)立信息或驗(yàn)證其他測量結(jié)果。3.解析思路：波印廷羅盤模型將年輕恒星視為一個(gè)“磁場發(fā)電機(jī)”，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場通過恒星旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部動(dòng)量輸運(yùn)（如對流的抽吸作用）向外延伸，最終在恒星極地區(qū)域被加速的恒星風(fēng)“吹”出，形成具有特定方向和形態(tài)的磁場結(jié)構(gòu)。該模型解釋了恒星風(fēng)如何能夠產(chǎn)生與恒星自轉(zhuǎn)方向不同的磁場極性，并為理解恒星風(fēng)的加速機(jī)制和星周環(huán)境的形成提供了框架。四、計(jì)算題1.解析思路：利用法拉第旋轉(zhuǎn)公式θ=(V/e)*B*n*L，其中V是光在介質(zhì)中傳播的距離，e是電子電荷量，n是電子數(shù)密度，L是云塊沿磁場方向的厚度（或大致尺度），B是磁感應(yīng)強(qiáng)度。題目未給V和L，通常此類題意在考察對基本公式的理解和應(yīng)用，若假設(shè)θ與B成正比，則B∝θ/n。更嚴(yán)格的解需要補(bǔ)充L或V的信息。按基本公式推導(dǎo)：θ=(k*B*n*L)/e，其中k為常數(shù)。解得B=θ*e/(k*n*L)。若無L，則結(jié)果為B∝θ/n。以標(biāo)準(zhǔn)答案形式給出基于簡化假設(shè)的結(jié)果。解：法拉第旋轉(zhuǎn)公式為θ=(e/4πμ?c)*B*n*L，其中c為光速。近似為θ≈(α/4πμ?)*B*n*L，α為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。則B≈(4πμ?θ)/(αnL)。題目未給L，若假設(shè)光穿過云塊的路徑長度L具體值未知，則無法給出具體數(shù)值。但可表示為B∝θ/n。若題目意圖是考察基本公式應(yīng)用，需設(shè)定L值。按常見題目模式，若假設(shè)L使得nL為特定參數(shù)X，則B=X/θ。此題數(shù)據(jù)θ=0.02rad,n=100cm?3=10?m?3。需L值。若假設(shè)L=1pc=3.086×101?m，則B≈(4π×10??T·m/A×0.02rad)/(α×10?m?3×3.086×101?m)≈(2.51×10??)/(α×101?)T。α≈1/137，B≈(2.51×10??×137)/101?T≈3.43×10?12T=3.43nT。若以高斯為單位(1T=10?G)，則B≈34.3nT=0.34G。此為基于假設(shè)L=1pc的估算結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)答案可能要求類似估算。答：B≈0.34G（基于假設(shè)L=1pc的估算）2.解析思路：帶電粒子在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。洛倫茲力F=qvB，向心力F=mv2/R。等式F=F，得qvB=mv2/R。解出軌道半徑R=mv/(qB)。解：設(shè)粒子電荷量e=1.6×10?1?C，質(zhì)量m=1.67×10?2?kg，速度v=10?m/s，磁場強(qiáng)度B=1μT=1×10??T。粒子做圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力：qvB=mv2/R。軌道半徑R=mv/(qB)。R=(1.67×10?2?kg×10?m/s)/(1.6×10?1?C×1×10??T)R=(1.67×10?21)/(1.6×10?2?)mR=1.04375×10?mR≈1.04×10?m答：軌道半徑R≈1.04×10?m五、論述題解析思路：此題要求全面闡述磁場在恒星形成中的作用，需涵蓋正反兩方面影響，并涉及不同階段和機(jī)制。論述：星際磁場在恒星形成的觸發(fā)和演化過程中扮演著復(fù)雜而關(guān)鍵的角色。其影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，磁場對星際云的力學(xué)性質(zhì)有顯著作用。一方面，磁場可以通過洛倫茲壓力提供支撐，抵抗云塊自身的引力坍縮，尤其在高密度區(qū)域，磁場可以顯著提高氣體的有效聲速，從而抑制引力不穩(wěn)定性，起到“剎車”或“穩(wěn)定器”的作用，延緩恒星的形成。另一方面，磁場可以驅(qū)動(dòng)或抑制云內(nèi)的湍流。強(qiáng)磁場可以抑制湍流粘性，改變湍流能量傳遞方式，可能影響云塊內(nèi)Jeans尺度的分布，從而影響引力不穩(wěn)定性發(fā)生的區(qū)域和時(shí)機(jī)。另一方面，磁場與湍流的相互作用也可能促進(jìn)湍流的發(fā)生和發(fā)展。其次，磁場深刻影響著原恒星盤的形態(tài)和演化。磁場可以通過波印廷羅盤模型驅(qū)動(dòng)恒星風(fēng)。在原恒星周圍，磁場被加速的等離子體（恒星風(fēng)）從星體極地“吹”出，形成具有特定方向和形態(tài)的磁場結(jié)構(gòu)。這個(gè)磁場結(jié)構(gòu)反過來又影響原恒星盤的羽狀結(jié)構(gòu)（Chimaera）的形成和演化。磁場可以束縛從原恒星流出的物質(zhì)，形成星周盤。磁場與盤內(nèi)氣流、塵埃顆粒的相互作用，可以影響盤的密度分布、溫度結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)在盤內(nèi)的遷移。例如，磁場可以調(diào)節(jié)盤的傾角，影響物質(zhì)流對中心原恒星的壓力，進(jìn)而影響原恒星的質(zhì)量增長率和最終形成