2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際空間中恒星的形成與爆發(fā)機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.星際介質(zhì)主要由______和______組成，其中分子云是恒星形成的場所，其形成主要與______和______有關(guān)。2.根據(jù)Jeans不穩(wěn)定性理論，當(dāng)氣體云的密度超過臨界密度時，其內(nèi)部引力將勝過______，從而開始引力坍縮。3.原恒星在吸積物質(zhì)的過程中，核心溫度和壓力逐漸升高，當(dāng)核心溫度達到約______K時，氫核聚變（主要是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)）可以開始發(fā)生。4.恒星在主序階段通過______過程將核聚變產(chǎn)生的能量輸送到星冕，并通過______過程將能量輻射到外部空間。5.主序星在H-R圖上大致分布在一條從______區(qū)域延伸到______區(qū)域的連續(xù)帶上，這條帶被稱為______。6.當(dāng)大質(zhì)量恒星核心的氫、氦等元素被耗盡后，核心會發(fā)生______，導(dǎo)致外層物質(zhì)塌縮，引發(fā)劇烈的核反應(yīng)和恒星爆炸，即______。7.Ia型超新星被認(rèn)為是______型星爆發(fā)，其爆發(fā)機制與______有關(guān)，通常發(fā)生在______中。8.II型超新星是______型星爆發(fā)，其爆發(fā)能量主要來自核心塌縮形成的______對外層物質(zhì)的沖擊，核合成以______過程為主。9.中子星是致密星的一種，主要由______物質(zhì)組成，密度極高，其表面磁場強度可達______特，部分中子星會因強烈的磁場和自轉(zhuǎn)而發(fā)出規(guī)律的電磁輻射，稱為______。10.黑洞是引力極其強大的區(qū)域，其邊界稱為______，一旦越過該邊界，即使是光也無法逃脫。黑洞可以通過______和______兩種主要方式形成。11.伽馬射線暴（GRB）是宇宙中最劇烈的天文現(xiàn)象之一，其能量源自大質(zhì)量恒星引力坍縮形成的______或______。12.觀測恒星形成區(qū)通常需要使用______波段的望遠(yuǎn)鏡，因為星際塵埃對______波段的輻射有強烈的吸收，而年輕的恒星和原恒星主要發(fā)出______波段的輻射。二、選擇題1.下列哪一項不是恒星形成過程中需要滿足的基本條件？A.足夠高的氣體云密度B.足夠低的氣體云溫度C.存在引力不穩(wěn)定D.氣體云內(nèi)部壓力大于外部壓力2.在H-R圖上，位于主序帶右上方區(qū)域的恒星，其物理性質(zhì)最可能是？A.質(zhì)量大、光度低、表面溫度高B.質(zhì)量小、光度高、表面溫度低C.質(zhì)量小、光度低、表面溫度高D.質(zhì)量大、光度高、表面溫度低3.導(dǎo)致紅巨星演化為白矮星的主要原因是？A.核心開始進行氦聚變B.核心氫被耗盡，核心收縮，外層膨脹C.恒星與伴星發(fā)生物質(zhì)交換D.恒星核心發(fā)生坍縮形成中子星4.下列哪種類型的超新星爆發(fā)被認(rèn)為與中微子加熱機制密切相關(guān)？A.Ia型超新星B.II-P型超新星C.II-L型超新星D.Ib型超新星5.對于一個質(zhì)量為太陽10倍左右的恒星，其最終演化結(jié)局最可能是？A.形成一個中等質(zhì)量的白矮星B.形成一個中子星C.形成一個黑洞D.先變成紅巨星，然后平穩(wěn)消失6.以下哪項觀測證據(jù)最能支持恒星核合成理論？A.恒星的光譜分析B.超新星爆發(fā)的觀測C.對遙遠(yuǎn)星系中元素豐度的測量D.H-R圖的應(yīng)用三、簡答題1.簡述恒星形成過程中，從分子云Collapse到原恒星形成的幾個關(guān)鍵階段及其物理特征。2.解釋什么是Hertzsprung-RussellDiagram，并說明其在恒星研究中的重要性。3.比較Ia型超新星和II型超新星的異同點。4.描述中子星的主要物理性質(zhì)，并說明脈沖星是如何發(fā)現(xiàn)的。5.簡述觀測恒星形成區(qū)時，為何需要使用紅外或射電望遠(yuǎn)鏡。四、論述題1.詳細(xì)論述大質(zhì)量恒星從主序階段演化為超新星的物理過程，包括核心演化階段、爆發(fā)觸發(fā)機制以及主要的能量產(chǎn)生方式。2.結(jié)合引力波天文學(xué)的發(fā)展，論述黑洞研究在理解星系演化中的作用。試卷答案一、填空題1.氣體；塵埃；引力不穩(wěn)定；密度漲落2.外部壓力（或rampressure/turbulence）3.1000萬4.轉(zhuǎn)移（如對流、輻射）；輻射5.上右；下左；主序帶6.核心耗盡；超新星爆發(fā)7.碳氧；中微子加熱；白矮星（或雙星系統(tǒng)）8.大質(zhì)量；中子星；r9.中子；10^8；脈沖星10.事件視界；引力坍縮；吸積11.伽馬射線暴；快速射電暴12.紅外；可見光；紫外二、選擇題1.D2.B3.B4.A5.C6.C三、簡答題1.答：恒星形成始于分子云在自身引力或外部擾動（如鄰近超新星沖擊波）作用下發(fā)生不穩(wěn)定，密度局部增加（引力不穩(wěn)定性）。引力坍縮導(dǎo)致分子云核心區(qū)域密度迅速升高、溫度升高，形成原恒星核心。此時，核心周圍的氣體被吸積，原恒星逐漸增大。當(dāng)核心溫度和壓力達到足夠高時（約1000萬K），氫核聚變（質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)）被點燃，能量釋放開始支撐核心，阻止進一步坍縮，此時原恒星進入主序階段。這個過程大致包括：分子云引力不穩(wěn)定性→核心坍縮→原恒星形成（吸積與核心升溫）→核聚變點燃→主序星。2.答：Hertzsprung-RussellDiagram（赫羅圖）是表示恒星亮度（或光度）與其表面溫度（或顏色）之間關(guān)系的圖表。橫軸通常表示表面溫度（從左到右升高，或從上到下降低），縱軸表示光度（從下到上增加）。赫羅圖的重要性在于：它直觀地揭示了恒星群體的主要分布區(qū)域（主序帶、紅巨星支、白矮星支等），使得不同演化階段的恒星可以被清晰地歸類；它成為判斷恒星年齡、質(zhì)量和演化狀態(tài)的重要工具；它幫助推導(dǎo)了恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)理論。3.答：*爆發(fā)對象：Ia型超新星由白矮星（位于雙星系統(tǒng)中）通過質(zhì)子俘獲（CNO循環(huán)）累積足量碳氧核直至達到錢德拉塞卡極限（約1.4倍太陽質(zhì)量）引發(fā)失控的核爆炸；II型超新星由大質(zhì)量恒星（核心質(zhì)量大于8倍太陽質(zhì)量）演化末期，核心氫、氦等元素耗盡，核心引力坍縮形成中子星（或黑洞）時，外層物質(zhì)被沖擊爆發(fā)。*爆發(fā)機制：Ia型主要是白矮星內(nèi)部碳氧核的完全聚變，能量釋放主要由中微子加熱驅(qū)動；II型主要是核心坍縮形成的沖擊波將外層物質(zhì)炸開，能量也部分來自中微子。*光譜特征：Ia型光譜通常沒有氫線，呈藍(lán)白色；II型光譜有強烈的氫線，呈黃色或橙色。*光度：Ia型超新星的光度非常均勻，絕對星等接近；II型超新星的光度變化范圍大，從較暗到極亮。*核合成：Ia型以s過程為主；II型核心區(qū)域以r過程為主。4.答：中子星的主要物理性質(zhì)包括：極高的密度（約每立方厘米一億噸），主要由中子組成，具有極強的磁場（表面磁場可達10^8特斯拉量級），快速自轉(zhuǎn)（初始轉(zhuǎn)速可達每秒數(shù)百轉(zhuǎn)，后會逐漸減慢）。脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星，其磁極方向若指向地球，其磁極發(fā)出的高能粒子束會周期性地掃過地球，如同宇宙中的燈塔，我們接收到的是規(guī)律的脈沖信號，從而發(fā)現(xiàn)脈沖星。5.答：星際介質(zhì)中存在大量塵埃顆粒，它們對可見光和紫外輻射有強烈的吸收和散射作用。恒星形成區(qū)往往隱藏在稠密的塵埃云中，使得可見光和紫外波段難以穿透。然而，塵埃顆粒會吸收遠(yuǎn)紅外和射電波段的輻射，并在其內(nèi)部重新輻射出來。因此，使用紅外望遠(yuǎn)鏡可以有效穿透塵埃，觀測到被遮擋的原恒星和年輕的恒星；射電望遠(yuǎn)鏡則可以接收恒星發(fā)出的射電輻射，特別是原恒星吸積物質(zhì)時發(fā)出的熱輻射或磁場相關(guān)的輻射，從而探測到恒星形成區(qū)。四、論述題1.答：大質(zhì)量恒星（初始質(zhì)量大于8-10倍太陽質(zhì)量）的演化過程更為劇烈，最終以超新星爆發(fā)結(jié)束生命。其主要演化階段和機制如下：*主序階段：與低質(zhì)量恒星類似，核心進行氫核聚變（主要是CNO循環(huán)），釋放能量，處于H-R圖主序帶。*核心演化：氫耗盡后，核心收縮升溫，點燃氦核聚變（主要是三體問題反應(yīng)），生成碳和氧。隨后，核心會相繼經(jīng)歷碳、氧乃至更重元素（硅、硫等）的短暫聚變階段，形成越來越致密的核心和富含重元素的“洋蔥”狀結(jié)構(gòu)。*鐵核積累：當(dāng)核心元素聚變到鐵元素時，過程停止。因為鐵核聚變不釋放能量反而吸收能量，核心不再能通過核聚變產(chǎn)生的能量來抵抗引力。*核心坍縮：鐵核達到一定質(zhì)量（錢德拉塞卡極限）后，引力不再能被電子簡并壓支撐，核心發(fā)生災(zāi)難性的、自由落體式的引力坍縮。這會產(chǎn)生強大的沖擊波。*中微子沖擊波加熱：坍縮形成的中子星會發(fā)出巨大的中微子流。部分中微子被物質(zhì)吸收后能量轉(zhuǎn)化為熱能，加熱沖擊波，使其加速到足夠高的速度，將恒星的外層物質(zhì)猛烈炸飛到太空中，形成超新星爆發(fā)。*能量來源：超新星爆發(fā)的總能量來自：核心坍縮時引力勢能的釋放、中微子能量的一部分、以及重元素（比鐵重）在極端條件下發(fā)生的r過程核合成釋放的能量。*觀測結(jié)果：爆發(fā)產(chǎn)生極其明亮的星云（超新星遺跡），光譜顯示出劇烈的核合成（特別是r過程元素），以及短暫但強烈的伽馬射線暴（與中子星形成有關(guān)）。2.答：黑洞研究的進展極大地推動了我們對星系演化的理解。*超大質(zhì)量黑洞（SMBH）與星系形成和演化：大多數(shù)星系（包括銀河系）的中心都存在超大質(zhì)量黑洞。觀測表明，星系核的活動（如活動星系核AGN、星系風(fēng)）與中心SMBH的活動密切相關(guān)。SMBH通過吸積物質(zhì)獲得能量，并以輻射或相對論性噴流等形式釋放，對星系內(nèi)氣體、塵埃分布、恒星形成速率以及星系整體結(jié)構(gòu)和動力學(xué)產(chǎn)生深刻影響。反饋機制調(diào)節(jié)了星系增長與SMBH增長之間的耦合關(guān)系，可能解釋了星系主增長階段的質(zhì)量限制。因此，理解SMBH的觀測和物理過程，對于建立完整的星系形成和演化模型至關(guān)重要。*引力波天文學(xué)揭示黑洞形成和合并：LIGO/Virgo/KAGRA等引力波探測器已觀測到大量雙黑洞合并事件，直接證實了大質(zhì)量恒星核心坍縮是形成黑洞的主要途徑，并精確測量了黑洞的質(zhì)量和自旋分布。這些觀測為檢驗大質(zhì)量恒星演化理論、恒星風(fēng)模型以及雙星形成和演化理論提供了關(guān)鍵約束。雙黑洞合并的速率和系統(tǒng)參數(shù)也為我們理解星系中雙星的形成和分布提供了信息，進而反推星系的形成歷史。*星系活動與星系際介質(zhì)：活動星系核（由中心SMBH驅(qū)動）和星系風(fēng)可以加熱、推散星