2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——恒星的質量演化對結構的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內）1.恒星在其主序階段，主要依靠哪種核反應提供能量？A.氦聚變B.碳聚變C.氫核聚變成氦D.重元素衰變2.根據(jù)恒星結構理論，對于同一種核燃料（如氫），質量越大的恒星，其主序壽命通常：A.越長B.越短C.無明顯關系D.取決于初始化學成分3.恒星從主序階段演變成紅巨星（或超巨星）的主要原因是：A.核反應速率突然停止B.核反應速率急劇增加C.核心氫耗盡，核心引力收縮，外層受熱膨脹D.對流停止，輻射壓主導4.對于質量大于約8倍太陽質量的恒星，在其演化末期，其核心最終可能形成：A.碳氧白矮星B.氦白矮星C.鐵核心D.氦核心5.“提米烏斯定理”（ChandrasekharLimit）限制了哪類天體的最大質量？A.中子星B.黑洞C.白矮星D.紅巨星6.恒星內部能量從核心傳輸?shù)奖砻娴闹饕绞绞牵篈.對流B.輻射C.傳導D.A和B都可能，取決于具體條件7.恒星核反應產生的能量，主要通過什么形式向外傳輸，最終以輻射形式釋放？A.質子-中子轉化B.中微子C.高能光子（輻射）D.引力波8.恒星內部發(fā)生“氦閃”（HeliumFlash）的典型條件是：A.大質量恒星的核心B.發(fā)生引力坍縮的恒星C.主序末期，核心氦密度和溫度達到臨界值的低質量恒星D.紅巨星外層包層9.赫羅圖（H-RDiagram）上，位于主序帶左側的恒星通常表示：A.氫燃燒即將結束的恒星B.氦核心已經形成的恒星C.正在經歷快速核反應的年輕恒星D.比主序星更致密、溫度可能更高的恒星10.決定恒星內部不同層次密度分布的主要因素是：A.化學成分B.溫度C.壓力和引力D.能量傳輸機制二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）1.描述恒星內部引力、壓力和能量平衡的基本方程通常稱為________方程。2.恒星表面的溫度和光度主要取決于其內部的________產率和能量傳輸效率。3.恒星結構中，核心區(qū)域的密度和溫度通常遠高于外層，這是由________產生的巨大引力決定的。4.對于主序星，其半徑、溫度和光度大致遵循________定律的關系。5.當恒星核心的氫燃料耗盡時，核心會開始________，導致核心收縮并升溫。6.中等質量恒星（約8-25M☉）在其演化后期可能膨脹成________，其核心可能最終形成鐵核心。7.白矮星的主要支撐機制是________壓力，它們的質量上限受________定理約束。8.恒星內部的對流現(xiàn)象主要發(fā)生在溫度梯度________的區(qū)域。9.觀測星團中不同顏色（即溫度）的恒星，可以根據(jù)其位置推斷出它們的________。10.質量大于錢德拉塞卡極限的白矮星，或者質量足夠大的恒星核心在引力坍縮過程中，可能會形成________天體。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述恒星內部輻射傳能的基本過程。2.解釋為什么大質量恒星的壽命比小質量恒星的壽命短。3.紅巨星與主序星在內部結構（至少提及核心和包層）上有何主要區(qū)別？四、論述題（10分。請全面、深入地回答下列問題）結合恒星結構的基本原理，詳細闡述恒星的質量是如何決定其整個演化歷程（從主序星到最終歸宿）以及內部結構演變的。比較說明大質量恒星和小質量恒星在演化路徑和最終命運上的主要差異及其物理原因。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.B7.C8.C9.A10.C二、填空題1.恒星2.核反應3.引力4.依巴谷5.收縮6.紅巨星/超巨星7.簡并電子；提米烏斯（錢德拉塞卡）8.大9.年齡10.中子星/黑洞三、簡答題1.輻射傳能：高能光子在恒星核心產生后，向外部傳輸。光子在穿過不同密度的介質時，會不斷被吸收和再發(fā)射，能量逐漸向外傳遞。這個過程遵循能量守恒和熱力學定律，光子平均自由程較長時主要依靠輻射傳遞能量。2.大質量恒星內部核反應速率快：由于質量大，核心引力壓強高，溫度和密度也相應更高。根據(jù)核反應速率與溫度的關系（如質子-質子鏈反應、碳氮氧循環(huán)），高溫導致核反應速率急劇增加，單位時間內消耗的氫燃料遠多于小質量恒星。因此，即使單位質量燃料釋放的能量大致相同，大質量恒星的總能量輸出也遠超小質量恒星，導致其主序壽命反比于質量（大致遵循M∝L/T∝t-1）。3.內部結構區(qū)別：*核心溫度和密度：紅巨星核心溫度和密度通常低于主序星（因為主序星核心持續(xù)進行核聚變并收縮加熱，而紅巨星核心氫已耗盡，開始收縮升溫，但尚未達到氦聚變的高溫密度）。*包層性質：主序星通常整個星體內部都是輻射區(qū)或對流區(qū)。紅巨星外層發(fā)生顯著的對流，將能量從內部帶到表面，而核心區(qū)域則可能處于輻射區(qū)或（后期）對流區(qū)。四、論述題恒星的質量是其演化命運和結構演變的決定性因素。質量決定了恒星核心的引力、初始溫度、核反應速率和能量輸出，進而影響其結構、演化和最終歸宿。*質量決定核心條件：恒星質量越大，核心承受的引力壓強越大，需要更高的溫度和密度來維持流體靜力平衡。這導致大質量恒星的核心溫度和密度上升更快更高，核反應速率也更快。*質量決定主序壽命：核反應速率快意味著單位質量燃料消耗快，總能量輸出強。然而，由于能量輸出必須維持引力平衡，內部能量傳輸速率也需匹配。對于極高質量恒星，雖然核心反應快，但其總光度極高，需要極快的能量輸運來維持。綜合來看，大質量恒星的總能量輸出雖大，但其主序壽命卻因燃料消耗快而遠短于小質量恒星（大致反比關系）。*質量決定演化路徑和結構變化：*小質量恒星（<~1M☉）：核心引力較弱，溫度和密度不足以引發(fā)氦聚變。氫燃料耗盡后，核心收縮升溫對外層施加強大壓力，導致恒星顯著膨脹成為紅矮星。能量主要通過輻射傳輸。最終，核心成為致密的碳氧白矮星，外層逐漸失去能量而收縮變冷，成為黑矮星（理論上的最終狀態(tài)）。*中等質量恒星（~1-8M☉）：演化路徑與小質量恒星類似，但核心溫度能更高，在核心氦耗盡后可能發(fā)生氦閃（因核心突然變得致密且高溫而觸發(fā)氦聚變），或緩慢地進行核心氦聚變。之后可能經歷紅巨星階段，外層膨脹，核心收縮并可能開始碳燃燒。最終，核心成為白矮星。*大質量恒星（>~8M☉）：核心引力強，溫度高，能支持更復雜的核反應（碳、氧、氖、硅等元素燃燒）。氫、氦等輕元素燃料消耗極快，主序壽命很短。核心迅速收縮升溫，觸發(fā)一系列后續(xù)元素聚變，直至核心形成鐵核。鐵核無法通過聚變產生能量，反而吸收能量，最終引力不再平衡，核心發(fā)生災難性坍縮。*最終命運：*對于質量足夠大（通常>~25-30M☉）的恒星，核心坍縮時會產生強大的沖擊波，將外層物質炸入宇宙空間，形成極其明亮的超新星遺跡（如蟹狀星云）。坍縮的核心部分如果質量小于錢德拉塞卡極限，會形成中子星，依靠中子簡并壓力支撐。*如果坍縮核心的質量超過中子星的最大支撐極限（錢德拉塞卡極限與