2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星系螺旋結構的起源和形成考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.以下哪項不是密度波理論對螺旋星系旋臂特征的主要解釋？A.旋臂是恒星密度波在星系盤中傳播時，物質（恒星和氣體）被壓縮的區(qū)域。B.旋臂區(qū)域恒星形成速率顯著高于星系其他區(qū)域。C.旋臂中的恒星普遍比星系盤其他區(qū)域的恒星年齡更大。D.旋臂中存在大量的HII區(qū)和星際塵埃。2.引力不穩(wěn)定理論（如2:1共振理論）主要解釋哪種類型的星系結構？A.橢圓星系的核球。B.不規(guī)則星系的隨機運動。C.螺旋星系旋臂的形成。D.星系核中的活動星系核。3.在密度波理論框架下，以下哪個現(xiàn)象最能支持旋臂是密度波而非固定物質的結論？A.旋臂中恒星的空間密度顯著高于背景盤。B.逆行旋轉的星系中，旋臂形態(tài)仍然符合密度波理論預測的模式。C.旋臂中恒星的速度分布與星系盤背景區(qū)域的恒星速度分布一致。D.旋臂掃過區(qū)域時，觸發(fā)恒星形成，而掃過后區(qū)域恢復平靜。4.星系碰撞和相互作用對于觸發(fā)螺旋結構（特別是旋臂）的形成，主要機制是：A.直接合并成一個新的、更大的橢圓星系。B.在碰撞過程中產(chǎn)生巨大的沖擊波，壓縮氣體，引發(fā)恒星形成。C.碰撞導致星系核快速旋轉，形成棒狀結構，進而觸發(fā)旋臂。D.碰撞將星系中的暗物質暈攪亂，改變星系的整體動力學。5.與棒狀星系相比，普通單旋臂螺旋星系的主要區(qū)別之一是：A.自轉速度通常更快。B.核球通常更大更致密。C.存在一個貫穿核球的對稱或反對稱的棒狀結構。D.氣體含量通常更高。6.以下哪種觀測證據(jù)最能支持密度波理論？A.旋臂區(qū)域星際氣體密度顯著高于其他區(qū)域。B.旋臂掃過區(qū)域后，背景恒星的運動狀態(tài)發(fā)生顯著改變。C.不同旋臂上的恒星年齡和化學成分存在系統(tǒng)性差異。D.旋臂的形狀和密度分布與理論計算出的密度波包絡形態(tài)一致。7.在討論星系螺旋結構時，“自轉速度梯度”指的是：A.星系中心到邊緣，恒星自轉速度的變化率。B.螺旋旋臂上不同位置，恒星自轉速度的變化。C.星系盤中不同半徑處，氣體與恒星自轉速度的差異。D.星系核心區(qū)域恒星自轉速度的劇烈波動。8.以下哪種理論強調旋臂區(qū)域是氣體被壓縮、密度增加，從而觸發(fā)恒星形成的活躍區(qū)域？A.密度波理論。B.基于純恒星動力學的引力不穩(wěn)定理論。C.氣體動力學理論。D.星系碰撞理論。9.螺旋星系的旋臂通常比星系盤的背景區(qū)域看起來更明亮，主要是因為：A.旋臂是恒星形成的高峰區(qū)域，充滿了年輕的、高溫、高亮度的恒星。B.旋臂區(qū)域塵埃含量特別高，散射了更多的星光。C.旋臂區(qū)域恒星密度遠高于背景區(qū)域。D.旋臂區(qū)域的恒星正在經(jīng)歷超新星爆發(fā)，產(chǎn)生了大量的輻射。10.“棒狀結構”的形成通常被認為與星系中的哪種過程密切相關？A.盤內(nèi)的引力不穩(wěn)定和不規(guī)則擾動。B.星系與另一個星系的并合或強烈相互作用。C.星系核中恒星的隨機運動。D.星系暈物質與盤物質的相互作用。二、填空題1.螺旋星系的旋臂通常呈現(xiàn)___________形態(tài)，其物質主要集中在___________區(qū)域。2.密度波理論認為，螺旋結構是___________在恒星盤中傳播時形成的___________。3.根據(jù)氣體動力學理論，旋臂可以被解釋為___________通過的___________，壓縮氣體并觸發(fā)恒星形成。4.星系碰撞和相互作用可以___________星系，導致___________的形成，并可能觸發(fā)___________。5.螺旋星系的自轉速度通常隨半徑增大而___________，這種現(xiàn)象被稱為___________。6.觀測表明，許多螺旋星系的核球內(nèi)部存在一個__________________，它可能是由引力不穩(wěn)定在核區(qū)形成的。7.旋臂中常常觀測到___________區(qū)，這是由年輕、大質量的恒星演化產(chǎn)生的。三、名詞解釋1.密度波理論2.引力不穩(wěn)定理論3.旋臂觸發(fā)4.棒狀星系四、簡答題1.簡述密度波理論的主要內(nèi)容，并解釋其如何解釋螺旋旋臂的穩(wěn)定性。2.簡述星系碰撞或相互作用如何影響原有螺旋星系的結構。五、論述題1.綜合說明觀測上有哪些證據(jù)支持或挑戰(zhàn)螺旋星系形成的密度波理論？2.討論氣體在螺旋星系的形成和演化過程中扮演的關鍵角色，并提及至少兩種相關的理論機制。---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.B5.C6.D7.A8.C9.A10.B二、填空題1.扭旋(或開放)恒星密度波(或等密度線)2.恒星密度波(或等密度線)恒星密度波包絡(或物質密度擾動)3.恒星密度波(或激波)氣體壓縮區(qū)(或高密度區(qū))4.激發(fā)(或破壞原有結構)棒狀結構(或核棒)恒星形成(或旋臂)5.降低(或減小)自轉速度梯度(或開放式自轉)6.核棒(或Bar)7.HII區(qū)(或電離氫區(qū))三、名詞解釋1.密度波理論:認為螺旋星系結構（如旋臂）是由一個在星系盤中以穩(wěn)定速度傳播的、由恒星密度擾動的包絡（密度波）產(chǎn)生的。恒星和氣體云在通過這個密度波包絡時，因受到波內(nèi)引力勢場的周期性作用而被加速和壓縮，從而表現(xiàn)出旋臂的特征。2.引力不穩(wěn)定理論:認為在星系盤中有自轉速度梯度（外盤速度大于內(nèi)盤速度）的區(qū)域，如果恒星的速度超過當?shù)匾υ试S的最大速度（即發(fā)生引力不穩(wěn)定），物質就會通過引力相互作用，形成密度峰，進而發(fā)展成螺旋臂結構。3.旋臂觸發(fā):指由外部因素（如星系碰撞、密度波掃過、局部引力擾動等）誘發(fā)或顯著增強星系中恒星形成活動，導致旋臂區(qū)域成為恒星形成的主要場所。4.棒狀星系:指中心有一個長條狀、對稱或反對稱分布的致密物質結構（棒狀結構）的螺旋星系。棒狀結構可能由引力不穩(wěn)定在核區(qū)形成，它可以通過引力耦合驅動核球和盤旋轉，并可能觸發(fā)或增強旋臂的形成。四、簡答題1.密度波理論主要內(nèi)容:該理論認為螺旋結構是密度波（等密度線或恒星密度的擾動包絡）在星系盤中傳播形成的。恒星和氣體云以不同的速度通過密度波，但受到的引力作用主要取決于它們與密度波的相對位置。當它們進入密度波壓縮區(qū)時，受到引力加速，向內(nèi)螺旋運動，而離開時則向外擴散。這個過程使得物質能夠持續(xù)地聚集在密度波包絡上，形成穩(wěn)定的旋臂形態(tài)。旋臂中的恒星流和空隙等現(xiàn)象也可以用恒星在不同軌道上與密度波的相互作用來解釋。2.星系碰撞影響:星系碰撞，特別是近心碰撞，會對原有螺旋星系的結構產(chǎn)生劇烈影響。碰撞的引力擾動可以破壞原有的對稱自轉結構，激發(fā)非引力不穩(wěn)定，形成新的密度波或直接觸發(fā)大規(guī)模的恒星形成活動，表現(xiàn)為明亮的、有時是扭曲的旋臂。碰撞也可能導致星系核合并，形成活動星系核。強大的相互作用還可能將氣體從暈中拋入盤內(nèi)，進一步激發(fā)恒星形成，并可能形成或增強棒狀結構。五、論述題1.支持密度波理論的證據(jù):*形態(tài)穩(wěn)定性:許多觀測表明，即使是老星系，只要盤內(nèi)仍有自轉速度梯度，其螺旋結構也能長期維持，這與密度波作為穩(wěn)定結構傳播的預測一致。*恒星動力學特征:旋臂掃過后，留下的“空隙”區(qū)域通常恒星的運動速度和空間密度與背景盤相似，而旋臂本身恒星的運動狀態(tài)（速度、年齡、金屬豐度）與背景盤的差異不大，這支持了旋臂是不斷有物質流入、流出的波包，而非固定物質。*多波結構:一些星系存在不止一種螺旋臂模式，密度波理論可以解釋為不同頻率或振幅的密度波同時存在。*自轉速度梯度:大多數(shù)螺旋星系存在明顯的自轉速度梯度，這是密度波理論運行的基本前提。*逆行星系:一些逆行旋轉的星系依然呈現(xiàn)出符合密度波理論預測的螺旋模式，表明密度波的形成不依賴于星系的整體旋轉方向。*挑戰(zhàn)/局限:密度波理論難以完全解釋旋臂中年輕恒星的集中分布（如果旋臂是固定的，恒星應該混合），以及精確模擬氣體動力學過程和恒星形成效率方面存在困難。2.氣體角色與機制:*氣體是螺旋星系形成和演化的關鍵物質:螺旋星系的結構和動力學很大程度上由氣體盤決定。恒星形成主要發(fā)生在氣體中，氣體的分布直接影響星系的引力勢場和動力穩(wěn)定性。*氣體觸發(fā)恒星形成:氣體是恒星形成的唯一原料。旋臂區(qū)域通常表現(xiàn)為氣體密度增高區(qū)，這些區(qū)域因引力不穩(wěn)定（如密度波壓縮、碰撞擾動）或局部引力擾動而加速和聚集，氣體被壓縮到足以觸發(fā)核聚變的密度和溫度，形成HII區(qū)和年輕星團。*相關理論機制:*密度波機制:密度波掃過氣體盤，壓縮氣體，形成激波，觸發(fā)恒星形成。*引力不穩(wěn)定機制:盤內(nèi)氣體因自轉速度梯度和剪切力發(fā)生引力不穩(wěn)定，形成密度峰，觸發(fā)恒星形成。*氣體動力學機制:旋臂被解