2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際射電波譜線的行星學(xué)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.在星際介質(zhì)中，羥基（OH）射電譜線的產(chǎn)生主要涉及哪個能級躍遷？（）A.H+O→H?+O?B.O+H?→H+OHC.OH?+H→OH+H?D.OH→OH?+e?2.以下哪種射電譜線通常被認(rèn)為是在低溫（<30K）星際云中由水冰升華產(chǎn)生的？（）A.1.35cm的HCO?譜線B.2.6GHz的OH譜線C.1.2mm的H?O譜線D.610MHz的CH?OH譜線3.在分析星際云中氘（D）相對于氫（H）的豐度時，主要利用哪個射電譜線對？（）A.HCO?(1-0)和HDO(1-0)B.CO(1-0)和HCO?(1-0)C.OH(1.4-0.5GHz)和HD(1420.4-1417.4MHz)D.NH?(23.8-22.2GHz)和HCN(8.6-8.4GHz)4.射電譜線的強度受多種因素影響，以下哪個物理量直接決定了譜線發(fā)射或吸收的總量？（）A.角頻率B.相位C.亮溫度D.天線方向5.對于星際分子云的射電觀測，以下哪種望遠鏡配置通常能提供最高的空間分辨率？（）A.單孔徑射電望遠鏡B.多天線干涉陣列（非VLBI）C.甚長基線干涉測量（VLBI）陣列D.磁聚焦環(huán)形天線6.當(dāng)我們探測到某個星際云中存在大量的13C1?O譜線，而12C1?O譜線強度遠超其理論豐度比時，這通常暗示了什么？（）A.云中溫度極高B.云的年齡非常古老C.云的化學(xué)演化受到了特殊擾動，可能源自巨行星或恒星風(fēng)D.觀測儀器對13C信號特別敏感7.國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）定義的行星狀星云的射電特征通常不包括？（）A.明亮的射電核心（源于中心星）B.來自中心星的自由電子分布產(chǎn)生的連續(xù)譜輻射C.星云自身合成的大量復(fù)雜分子譜線D.由星風(fēng)與星云物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的熱輻射8.在星際射電譜線的研究中，波爾茲曼分布主要用于描述什么？（）A.星際塵埃的溫度分布B.射電望遠鏡的效率分布C.星際云中不同量子態(tài)粒子的相對數(shù)量D.射電譜線信號在不同頻率上的強度分布9.下列哪種分子在星際介質(zhì)中通常被認(rèn)為是在更極端或更年輕的星云環(huán)境中形成的？（）A.H?OB.COC.HCND.H?10.射電天文觀測中常說的“原子分子天文學(xué)窗口”主要指的是哪個波段范圍？（）A.<1GHzB.1-10GHzC.10-100GHzD.>100GHz二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題后橫線上）1.射電譜線的頻率主要由產(chǎn)生躍遷的原子或分子的________差決定。2.通過觀測星際云中________(元素或同位素)的豐度異常，可以推斷行星形成過程中可能發(fā)生的________(過程或事件)。3.射電望遠鏡的分辨率主要取決于其________(大小或孔徑)以及觀測的天文尺度。4.________(分子)的射電譜線是探測星際云中水冰含量的重要工具。5.________(現(xiàn)象)是指宇宙空間中存在的、能夠吸收或散射無線電波的介質(zhì)。6.在星際介質(zhì)中，CH?OH等復(fù)雜有機分子的存在，為研究早期太陽系盤中________(物質(zhì)或過程)提供了線索。7.甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)的主要優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)________(空間或時間)的極高分辨率。8.星際介質(zhì)的________(物理量，如密度或溫度)分布直接影響著射電譜線的形成和探測。9.由于水分子具有較大的________(物理量，如轉(zhuǎn)動能級間距)，其在毫米波段的譜線通常強度較弱。10.射電譜線的________(觀測方法，如位置測量或譜線寬度測量)對于理解星際云的動力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述利用星際羥基（OH）射電譜線進行星際云距離測量的基本原理。2.解釋什么是星際分子的同位素豐度比，并說明其在行星學(xué)研究中的意義。3.簡要說明射電望遠鏡進行星際譜線觀測時，需要進行哪些主要的校準(zhǔn)步驟。4.闡述星際射電波譜線研究對于理解行星形成前物質(zhì)來源的貢獻。四、計算題（共10分。請寫出必要的公式和計算步驟）假設(shè)在一個典型的冷星際云中，溫度T=10K，密度n(H?)=100cm?3。已知在該云中觀測到CO(1-0)譜線的線強度（以湯普森散射亮度T_S表示）為T_S(CO)=1mK。根據(jù)理論模型，該溫度密度條件下CO的發(fā)射系數(shù)A_CO=3.2×10?2K?1cm?H?2。請計算該云中H?O分子（假設(shè)其豐度比H?為10??）的預(yù)期射電發(fā)射亮度（同樣以T_S表示），并簡要說明計算中涉及的關(guān)鍵假設(shè)或簡化。已知H?O(1-0)在1.2mm波段的發(fā)射系數(shù)A_H?O=1.5×10?2K?1cm?H?2。五、論述題（共15分。請結(jié)合具體實例或觀測證據(jù)，深入分析和闡述下列問題）論述射電譜線觀測在揭示太陽系外圍星際云（如Ophiuchus或Taurus星云）中行星形成潛力方面的作用。請包括對揮發(fā)性物質(zhì)、同位素示蹤以及復(fù)雜有機分子等信息的利用，并討論這些觀測結(jié)果對理解行星系統(tǒng)早期演化和物質(zhì)來源有何啟示。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.C5.C6.C7.C8.C9.C10.C二、填空題1.能級2.氘；撞擊或巨行星引力捕獲3.直徑4.甲醇5.介質(zhì)吸收和散射6.粘合劑或BuildingBlocks7.空間8.密度9.轉(zhuǎn)動能級間距10.位置測量三、簡答題1.解析思路：利用OH譜線的脈澤效應(yīng)。OH分子在紅外光子激發(fā)下躍遷到激發(fā)態(tài)，并在微秒量級內(nèi)通過碰撞退激發(fā)，發(fā)射出射電脈沖信號。這些脈沖信號的到達時間相對于參考源存在延遲，延遲時間與OH分子云的距離成正比。通過測量這種延遲時間并結(jié)合已知脈沖速度（光速），可以推算出云的距離。2.解析思路：同位素豐度比是指特定元素中不同同位素（如12C/13C或1?O/1?O）的相對含量。在星際云形成早期，不同同位素的化學(xué)行為可能存在微小差異，導(dǎo)致其豐度比偏離太陽系的基準(zhǔn)值。通過觀測星際云中的同位素豐度比異常，可以推斷其物質(zhì)來源（如是否來自早期太陽風(fēng)、巨行星或不同類型的星際云）以及形成或演化過程中是否經(jīng)歷了特殊事件（如劇烈沖擊）。3.解析思路：射電望遠鏡觀測需要消除天線自身響應(yīng)和大氣的影響，以獲取真實的宇宙源信號。主要校準(zhǔn)步驟包括：①主副天線校準(zhǔn)（或單天線自校準(zhǔn)），用于確定天線指向、增益和相位隨頻率的變化；②頻率校準(zhǔn)，使用已知頻率的射電源或原子鐘進行校準(zhǔn)；③基線校準(zhǔn)（對于陣列），用于確定不同天線之間的相位和幅度差；④天線效率校準(zhǔn)，通常使用衰減器或已知源進行估算。4.解析思路：星際射電譜線是研究彌漫星際介質(zhì)成分和演化的主要手段。通過探測H?O、NH?、CH?OH等揮發(fā)性分子的譜線，可以直接了解星際云中這些物質(zhì)的存在和豐度，進而反推早期太陽系盤中固體的含量和分布。同位素示蹤（如13C/O比）可以提供關(guān)于物質(zhì)來源的信息，暗示部分物質(zhì)可能源自太陽系外的星際云或巨行星的引力捕獲。復(fù)雜有機分子的探測則表明星際介質(zhì)可以合成相對復(fù)雜的有機分子，這些分子可能作為行星形成過程中的粘合劑或重要前體。四、計算題步驟：1.利用CO譜線強度和發(fā)射系數(shù)計算云的電子數(shù)密度n(e-)：T_S(CO)=A_CO*n(e-)*Tn(e-)=T_S(CO)/(A_CO*T)=(1mK)/(3.2×10?2K?1cm?H?2*10K)=3.125×10?cm?3（假設(shè)H?和e?濃度基本相等，n(H?)≈n(e-)）2.計算H?O的預(yù)期發(fā)射亮度：T_S(H?O)=A_H?O*n(H?)*[H?O/H?]*TT_S(H?O)=(1.5×10?2K?1cm?H?2*100cm?3*10??*10K)T_S(H?O)=1.5×10??K=0.15μK解析思路：首先利用已知的CO譜線強度和發(fā)射系數(shù)，結(jié)合云的溫度，反演出云中的電子數(shù)密度（假設(shè)與H?濃度相當(dāng)）。然后，利用H?O的發(fā)射系數(shù)、計算出的H?濃度、給定的H?O/H?豐度比以及云的溫度，計算H?O分子的預(yù)期射電發(fā)射亮度。計算中使用了黑體輻射和發(fā)射系數(shù)的定義，并假設(shè)H?O的豐度比在整個云中是均勻的。五、論述題解析思路：射電譜線觀測在研究太陽系外圍星際云的行星形成潛力方面扮演著關(guān)鍵角色。首先，射電波可以穿透星際塵埃，探測到紅外波段的觀測通常被遮擋的區(qū)域，使得我們能夠研究這些可能孕育行星的區(qū)域。其次，通過探測OH、H?O、NH?等分子的射電譜線，可以直接測量這些揮發(fā)性物質(zhì)（冰）的含量和空間分布。大量觀測表明，太陽系外圍的星際云普遍存在豐富的水冰，這為形成冰巨行星（如木星、土星）的星子提供了關(guān)鍵物質(zhì)。第三，利用D/H、13C/12C、1?O/1?O等同位素譜線，可以追溯星際云的物質(zhì)來源和行星形成過程中的化學(xué)演化。例如，異常的氘豐度通常與巨行星的存在或影響相關(guān)。第四，射電譜線也能探測到復(fù)雜的有機分子（如CH?OH、HCN、復(fù)雜碳鏈等）