2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星系的星際核物質(zhì)分布考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不是星際介質(zhì)（ISM）的典型組成成分？A.中性氫原子（HI）B.氦原子核C.分子氣體（H?）D.星際塵埃顆粒2.在天文學(xué)觀測(cè)中，探測(cè)中性氫（HI）分布主要利用其發(fā)出的哪種譜線？A.21厘米譜線B.Lyα譜線C.紅外塵埃發(fā)射D.赫姆霍茲暗線3.旋渦星系的旋臂區(qū)域通常表現(xiàn)為光學(xué)上較暗，其主要原因是？A.旋臂區(qū)域缺乏恒星B.旋臂物質(zhì)主要是由吸收光線的塵埃構(gòu)成C.旋臂區(qū)域氣體密度極高，星光難以穿透D.旋臂區(qū)域恒星正在形成，發(fā)出的是紫外輻射，人眼不可見4.分子云的主要成分是？A.幾乎純凈水蒸氣（H?O）B.中性氫原子（HI）和氦原子C.分子氫（H?）和星際塵埃D.離子化的氣體和等離子體5.星際塵埃對(duì)可見光的主要影響是？A.散射光，使星系呈現(xiàn)藍(lán)色B.散射光，使星系呈現(xiàn)紅色C.吸收光，導(dǎo)致星系某些區(qū)域變暗D.發(fā)射紅外輻射，加熱周圍氣體6.下列哪種觀測(cè)手段最能有效探測(cè)到星系的中心核球區(qū)域？A.紫外波段的觀測(cè)B.X射線波段的觀測(cè)C.紅外波段的觀測(cè)D.射電波段的觀測(cè)7.星系風(fēng)（GalacticWind）的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制通常被認(rèn)為是？A.核心超大質(zhì)量黑洞的輻射壓力B.恒星形成過(guò)程中年輕、大質(zhì)量恒星的強(qiáng)烈星風(fēng)C.星系旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力D.際間介質(zhì)的壓力8.恒星形成通常發(fā)生在哪種星際物質(zhì)中？A.密度極低的稀疏氣體云B.溫度極高的HII區(qū)C.密度足夠高、溫度較低的分子云中D.主要由塵埃構(gòu)成的暗云，但缺乏足夠氣體9.“柱密度”這個(gè)物理量主要用于描述什么？A.星際氣體的溫度B.星際氣體的密度C.星際塵埃沿視線方向的總量D.星際氣體的運(yùn)動(dòng)速度10.比較橢圓星系和旋渦星系，通常哪種星系具有更高的星際塵埃含量？A.橢圓星系B.旋渦星系C.兩者含量相似D.無(wú)法比較二、填空題（每空2分，共20分）1.星際介質(zhì)（ISM）大致由百分之幾的氣體和百分之幾的塵埃組成？___________%氣體，___________%塵埃（按質(zhì)量計(jì)）。2.射電天文學(xué)中，21厘米譜線對(duì)應(yīng)于氫原子核外電子在___________能級(jí)之間躍遷所產(chǎn)生的輻射。3.分子云通常處于非常低的溫度狀態(tài)，大約在___________K量級(jí)。4.星際塵埃顆粒對(duì)可見光具有強(qiáng)烈的___________作用，而對(duì)紅外光則具有相對(duì)較強(qiáng)的___________作用。5.HII區(qū)是指被年輕恒星照亮的、部分電離的___________區(qū)域。6.估計(jì)星系中星際氣體總量的主要依據(jù)是___________的觀測(cè)，而估計(jì)塵埃含量的主要依據(jù)是___________的觀測(cè)。7.由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波可以壓縮星際氣體，觸發(fā)___________的形成。8.旋渦星系的核物質(zhì)分布通常呈現(xiàn)出明顯的___________結(jié)構(gòu)，這與旋臂中的恒星形成活動(dòng)密切相關(guān)。9.星際氣體存在多種物理狀態(tài)，如熱致電離氣體、部分電離氣體和___________氣體。10.除了HI和分子氫，星際氣體中還可能含有少量其他元素形成的___________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述射電觀測(cè)在研究星際氣體分布方面（特別是中性氫）的主要優(yōu)勢(shì)。2.解釋什么是分子云，并簡(jiǎn)述其形成的主要條件。3.描述星際塵埃的主要光學(xué)特性及其對(duì)星系觀測(cè)的影響。4.簡(jiǎn)述超新星爆發(fā)如何影響星系的星際核物質(zhì)分布。四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)觀測(cè)到一個(gè)距離地球d=500kpc的星系，其核球半徑R=5kpc。在該星系核球內(nèi)，通過(guò)射電21cm譜線測(cè)量到中性氫的線寬約為Δv=100km/s（假定主要是由旋臂彎曲和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起）。假設(shè)氣體大致處于局部熱平衡狀態(tài)，電子數(shù)密度n_e與中性氫原子數(shù)密度n_H的關(guān)系為n_e≈0.1n_H。利用關(guān)系式L=8πR2n_Hσ_TT_gas(inerg/s)，其中L是HI21cm譜線的總亮度（erg/s），R是觀測(cè)距離（cm），σ_T是湯姆遜散射截面（6.65x10?2?cm2），T_gas是氣體溫度（K），估算該星系核球內(nèi)氫氣的平均密度n_H（單位：atoms/cm3）。請(qǐng)說(shuō)明你使用的任何假設(shè)。五、論述題（共25分）結(jié)合觀測(cè)事實(shí)和物理機(jī)制，論述旋渦星系中星際核物質(zhì)（氣體和塵埃）的典型分布特征及其形成原因。請(qǐng)分別討論核球、銀心和旋臂區(qū)域的物質(zhì)構(gòu)成、密度、溫度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及它們之間的聯(lián)系。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.C5.C6.C7.B8.C9.C10.A二、填空題1.99%,1%2.激發(fā)態(tài)與基態(tài)3.10-504.吸收，發(fā)射5.氣體6.21cm譜線，紅外輻射7.分子云8.對(duì)數(shù)螺旋9.等離子體10.離子三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：射電21cm譜線可以穿透可見光無(wú)法穿透的星際塵埃，探測(cè)到星系整體的、尤其是遠(yuǎn)離銀盤核區(qū)的中性氫分布；射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到來(lái)自廣闊空間的面源發(fā)射，適合繪制氣體分布圖；21cm譜線對(duì)中性氫的敏感度較高，探測(cè)范圍廣。2.解析思路：分子云是星際介質(zhì)中密度遠(yuǎn)高于平均值的區(qū)域，主要由分子氫（H?）構(gòu)成，同時(shí)含有少量塵埃和原子氣體；形成條件主要包括：足夠高的氣體密度（以便分子形成反應(yīng)H+H→H?+H有足夠效率）；足夠低的氣體溫度（以抑制H?的解離，分子形成反應(yīng)需要放熱）；以及屏蔽來(lái)自年輕恒星的紫外輻射（以保護(hù)H?不被破壞）。3.解析思路：星際塵埃顆粒會(huì)吸收可見光，特別是短波長(zhǎng)光子，導(dǎo)致星系在可見光波段亮度降低，呈現(xiàn)暗化現(xiàn)象；同時(shí)，塵埃顆粒也會(huì)散射可見光，向后方散射效率高于前方，且散射光偏向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向，使星系在可見光下可能呈現(xiàn)藍(lán)色；塵埃顆粒在紅外波段有強(qiáng)烈的熱發(fā)射，是紅外天文學(xué)的主要研究對(duì)象。4.解析思路：超新星爆發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，將核球內(nèi)或旋臂區(qū)域的星際氣體向外高速吹散，提高氣體溫度和金屬豐度；沖擊波可以壓縮周圍的冷氣體云，提高其密度，可能觸發(fā)新的恒星形成（星暴）；超新星遺跡本身也顯著改變了局部星際介質(zhì)的形態(tài)和物理性質(zhì)。四、計(jì)算題解析思路：首先明確物理公式L=8πR2n_Hσ_TT_gas，其中L、R、σ_T為已知或可查得常數(shù)，T_gas需要假設(shè)或已知，n_H為目標(biāo)量。關(guān)鍵在于理解題目給出的Δv=100km/s主要代表氣體運(yùn)動(dòng)速度，通常將其與氣體溫度T_gas聯(lián)系起來(lái)（如通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)速度公式v_th=sqrt(kT_gas/m_H)的統(tǒng)計(jì)平均值或與旋轉(zhuǎn)速度關(guān)聯(lián)）。在此簡(jiǎn)化模型中，假設(shè)氣體溫度T_gas與運(yùn)動(dòng)速度量級(jí)相當(dāng)（例如，T_gas≈v_th2*m_H/k，其中m_H是氫原子質(zhì)量，k是玻爾茲曼常數(shù)），可以估算T_gas。然后將所有數(shù)值代入公式求解n_H。注意單位統(tǒng)一（將R轉(zhuǎn)換為cm，T轉(zhuǎn)換為K）。估算結(jié)果約為n_H≈0.1cm?3（這是一個(gè)基于簡(jiǎn)化的估算值，實(shí)際結(jié)果可能因模型和假設(shè)不同而異）。五、論述題解析思路：論述應(yīng)涵蓋核球、銀心和旋臂三個(gè)區(qū)域。*核球：主要由年老、低金屬豐度的恒星組成，氣體含量低，塵埃含量也相對(duì)較低。由于缺乏年輕恒星的紫外輻射加熱和星風(fēng)驅(qū)動(dòng)的能量輸入，氣體通常較冷、密度較高，可能存在致密分子云或HII區(qū)，但整體規(guī)模小于銀盤。塵埃主要分布在較老的恒星周圍或形成稀疏的塵埃殼層。*銀心：位于星系中心，是恒星密度最高的區(qū)域。氣體密度極高，溫度也相對(duì)較高。通常存在一個(gè)致密的HII區(qū)（銀心HII區(qū)），由位于中心的早期大質(zhì)量恒星激發(fā)。塵埃也較集中，但可能被強(qiáng)烈的恒星紫外輻射和核區(qū)活動(dòng)（如AGN）部分吹散或加熱，其具體分布可能受核區(qū)反饋影響。*旋臂：是星系中氣體和塵埃最豐富、恒星形成活動(dòng)最活躍的區(qū)域。旋臂表現(xiàn)為密度波，氣體被壓縮，密度和溫度升高，觸發(fā)分子云的形成和恒星形成bursts。旋臂中充滿了HII區(qū)、發(fā)射線星云和分子云。塵埃在旋臂中也較為集中，但其分布和光學(xué)特性（如reddening）提供了關(guān)于氣體密度和恒星形成歷史的寶貴信息。旋臂的物質(zhì)分布大致呈對(duì)數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)，與星系的整體旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)相關(guān)。