2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際塵埃在宇宙塵埃中的比例考試時(shí)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(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于通常所說的“星際塵?！钡闹饕锢沓煞郑緼.硅酸鹽B.碳質(zhì)顆粒（如石墨）C.金屬原子核D.水冰晶體2.當(dāng)星光穿過富含星際塵埃的介質(zhì)時(shí)，其藍(lán)色光比紅色光更容易被散射，這種現(xiàn)象被稱為：A.赤紅效應(yīng)B.星光偏振C.光譜紅移D.光度減弱3.在討論星際介質(zhì)中塵埃的相對豐度時(shí)，“塵埃質(zhì)量占星際氣體（主要指氫和氦）質(zhì)量的比例”通常指的是：A.塵埃顆粒數(shù)量與氣體原子數(shù)量的比例B.塵?？傎|(zhì)量與氣體總質(zhì)量的百分比（約1%）C.塵埃體積與氣體體積的比例D.塵埃密度與氣體密度的比值4.以下哪種天文現(xiàn)象是星際塵埃對恒星亮度產(chǎn)生影響的最直接證據(jù)？A.恒星的周期性變光B.恒星的視向速度變化C.恒星的顏色變紅（reddening）D.恒星的譜線多普勒頻移5.估算某個(gè)方向星際塵埃豐度的常用方法之一是測量該方向的紅外總輻射，這主要是因?yàn)椋篈.塵埃在可見光波段吸收強(qiáng)烈B.塵埃主要發(fā)出熱輻射，且溫度通常較高C.紅外輻射能穿透可見光無法穿透的塵埃區(qū)D.紅外望遠(yuǎn)鏡成本較低6.超新星爆發(fā)被認(rèn)為是觸發(fā)星云中星際塵埃形成的重要機(jī)制之一，其主要貢獻(xiàn)在于：A.提供形成硅酸鹽所需的硅元素B.通過沖擊波壓縮氣體，促進(jìn)物理凝聚C.直接將恒星風(fēng)中的金屬元素轉(zhuǎn)化為塵埃顆粒D.提供形成碳質(zhì)塵埃所需的星際甲烷7.與年輕的、正在活躍形成的星系相比，觀測到老年星系（如球狀星團(tuán)）時(shí)，其星光通常呈現(xiàn)更強(qiáng)的reddening現(xiàn)象，這暗示：A.老年星系周圍的星際塵埃密度更大B.老年星系內(nèi)部的恒星自身發(fā)出更多紅光C.老年星系周圍存在更彌散、更廣泛的塵埃分布D.老年星系的光線傳播了更長的路徑穿過塵埃8.射電天文觀測中，宇宙塵埃會：A.對來自后方的射電信號產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收B.對來自前方的射電信號產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射C.主要發(fā)出可見光波段的光輻射D.導(dǎo)致射電信號的頻譜發(fā)生藍(lán)移9.在恒星演化后期，大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)后留下的中子星或黑洞，其強(qiáng)大的磁場和吸積盤也可能成為星際塵埃的重要來源之一。A.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）B.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）C.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）D.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）10.如果我們僅憑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測，很難穿透某些彌漫的星際塵埃云去研究其內(nèi)部的年輕恒星，而紅外望遠(yuǎn)鏡則能提供更好的觀測效果。A.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）B.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）C.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）D.（前半句判斷對錯(cuò)）（后半句判斷對錯(cuò)）二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.星際塵埃對星光的影響主要包括______、______和輻射。2.星際塵埃的化學(xué)成分以碳和硅的氧化物為主，其尺寸通常在______微米量級。3.由于星際塵埃對藍(lán)光的散射比紅光更強(qiáng)，富含塵埃的星際云在可見光下通常呈現(xiàn)______色。4.衡量某個(gè)天體或天區(qū)受到星際塵埃消光影響的程度通常使用______（英文縮寫）這一物理量，其定義為單位距離上的消光量。5.除了光學(xué)和紅外波段，星際塵埃在______和______波段也會對天文觀測產(chǎn)生顯著影響。6.宇宙中塵埃的總體豐度估算是一個(gè)復(fù)雜的問題，它與宇宙的化學(xué)演化、恒星的演化歷史以及______密切相關(guān)。7.早期宇宙中可能存在的由大質(zhì)量恒星遺骸構(gòu)成的______，被認(rèn)為是目前已知宇宙中塵埃含量最高的區(qū)域之一。8.塵埃的______特性使其成為重要的天體冷卻劑，年輕的、熾熱的恒星發(fā)出的紫外輻射可以激發(fā)塵埃顆粒，使其發(fā)出紅外輻射。9.通過測量恒星的光譜紅移，可以了解該恒星相對于我們的運(yùn)動(dòng)速度，但這并不能直接告訴我們其是否穿越了星際塵埃云。10.塵埃是星際介質(zhì)中______和______的關(guān)鍵參與者，影響著氣體動(dòng)力學(xué)、化學(xué)演化以及恒星和行星的形成過程。三、名詞解釋（每小題4分，共16分。請給出簡潔、準(zhǔn)確的定義）1.星際介質(zhì)(InterstellarMedium,ISM)2.reddening3.塵埃柱密度(DustColumnDensity)4.紅外光度計(jì)定標(biāo)(InfraredPhotometryCalibration)四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述星際塵埃的兩種主要來源及其形成機(jī)制。2.解釋為什么觀測來自銀河系中心的恒星時(shí)，其顏色會比觀測相同類型的銀河系內(nèi)其他區(qū)域恒星時(shí)顯得更紅？3.簡要說明星際塵埃是如何影響我們觀測遙遠(yuǎn)星系的光度（使其變暗）和顏色（使其變紅）的。4.為什么說研究星際塵埃對于理解恒星和行星系統(tǒng)的形成過程至關(guān)重要？五、計(jì)算題（每小題8分，共24分。請列出必要的公式、步驟和結(jié)果）1.假設(shè)某個(gè)天區(qū)星際氣體的密度為100厘米?3，平均分子量M_H≈1.3厘米3·克?1·(原子質(zhì)量單位)?1。如果該天區(qū)星際塵埃的質(zhì)量占星際氣體總質(zhì)量的1%，計(jì)算該天區(qū)單位體積內(nèi)塵埃的質(zhì)量（單位：克/厘米3）。2.觀測發(fā)現(xiàn)，一顆位于我們銀河系內(nèi)、距離我們約500光年的藍(lán)巨星（未受顯著reddening影響，其B-V色指數(shù)約為0），在穿過一片星際塵埃云后，其B-V色指數(shù)觀測值變?yōu)?1.5。假設(shè)該塵埃云的reddening效應(yīng)主要發(fā)生在可見光波段，且遵循R_V=3.1（典型銀河系塵埃的色散比），計(jì)算該塵埃云造成的消光量A_V（單位：mag/pc）。3.某個(gè)紅外天文觀測項(xiàng)目測得一個(gè)彌漫星云的總紅外光度（8-100微米波段）為103L_sun。假設(shè)該星云的物理大小約為10光年半徑，其紅外輻射主要來源于其中星際塵埃的熱輻射。已知星際塵埃的有效發(fā)射溫度T_d≈20K，利用斯特藩-玻爾茲曼定律σT?（其中σ≈5.67×10??W·m?2·K??）估算該星云內(nèi)星際塵埃的總質(zhì)量（單位：M_sun）。提示：紅外光度與溫度和半徑的四次方成正比，質(zhì)量與密度和體積成正比，但密度與溫度有關(guān)。六、論述題（12分。請全面、深入地回答下列問題）討論星際塵埃在恒星和行星形成過程中所扮演的關(guān)鍵角色，并說明其存在對于形成我們?nèi)缃袼姷男行窍到y(tǒng)類型可能產(chǎn)生的影響。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.C6.B7.C8.A9.D10.A二、填空題1.吸收散射2.0.1-13.淡紅4.A_V5.紫外射電6.重元素豐度7.超新星遺跡8.發(fā)射9.是10.化學(xué)演化恒星和行星形成三、名詞解釋1.星際介質(zhì)(InterstellarMedium,ISM):指位于恒星之間，包含氣體（主要是氫和氦，以及少量重元素）和塵埃（微小固體顆粒）的稀薄物質(zhì)區(qū)域，廣泛分布在星系中。2.reddening:指星光因?yàn)榇┻^星際塵埃云而發(fā)生的顏色變紅的現(xiàn)象，主要是因?yàn)閴m埃對藍(lán)光的散射比紅光更強(qiáng)，導(dǎo)致星光中藍(lán)光成分相對減少。3.塵埃柱密度(DustColumnDensity):指垂直穿過單位面積（通常取1平方秒角秒）到達(dá)該面積的星際塵?？傎|(zhì)量，常用符號N_A或Σ表示，單位通常是克/平方厘米。4.紅外光度計(jì)定標(biāo)(InfraredPhotometryCalibration):指在紅外天文學(xué)觀測中，通過已知亮度的標(biāo)準(zhǔn)源或其他方法，確定紅外光度計(jì)測得的信號強(qiáng)度（光通量）與實(shí)際星等或物理量之間關(guān)系的過程，是獲取準(zhǔn)確紅外測量結(jié)果的基礎(chǔ)。四、簡答題1.星際塵埃的主要來源有兩種：*恒星風(fēng)：年輕的、大質(zhì)量的恒星拋出的高速恒星風(fēng)，其中包含多種元素原子，在星際介質(zhì)中可以聚集成塵埃顆粒。*超新星爆發(fā)：大質(zhì)量恒星死亡時(shí)發(fā)生的超新星爆發(fā)，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，加熱周圍氣體，并將恒星核合成產(chǎn)生的重元素（如硅、碳、氧等）壓縮并凝聚成塵埃顆粒。2.銀河系中心區(qū)域比銀道面其他區(qū)域含有更多的星際塵埃。這是因?yàn)殂y河系中心是一個(gè)恒星密度極高的區(qū)域，恒星形成活動(dòng)也更為活躍。大量的年輕、熾熱恒星以及超新星爆發(fā)產(chǎn)生了大量的塵埃，這些塵埃聚集在一起形成了密集的塵埃云。當(dāng)來自銀河系中心的星光（包含各種顏色的光）穿過這些密集的塵埃云時(shí)，會受到強(qiáng)烈的reddening作用，藍(lán)光和紫光被優(yōu)先散射掉，剩下更多的紅光和紅外光能夠到達(dá)我們這里，因此觀測到的星光顏色顯得更紅。3.星際塵埃對遙遠(yuǎn)星系觀測的影響主要體現(xiàn)在：*光度變暗(Extinction):塵埃顆粒會吸收和散射星光，導(dǎo)致到達(dá)地球的星系總光量減少，使得星系看起來比實(shí)際更暗。*顏色變紅(Reddening):如前所述，塵埃對藍(lán)光的散射效率遠(yuǎn)高于紅光，當(dāng)星光穿過塵埃云時(shí)，藍(lán)光被更多地散射掉或吸收，而紅光穿透得更好，導(dǎo)致星系光譜中藍(lán)光成分減少，紅光成分相對增加，使得星系在照片上呈現(xiàn)紅色，并且其測得的色指數(shù)（如B-V）會比沒有塵埃影響的星系更大。4.星際塵埃在恒星和行星形成過程中扮演關(guān)鍵角色：*引力凝聚核心:星際氣體云本身難以自行凝聚成恒星，因?yàn)闅怏w分子會因碰撞而動(dòng)量交換，保持溫度和分散。塵埃顆粒具有固體形態(tài)，質(zhì)量比氣體分子大得多，且不易被氣體分子碰撞加熱而散開。塵埃顆?？梢酝ㄟ^范德華力或靜電力相互吸引，形成塵埃聚集體（塵埃球），這些聚集體因?yàn)橐Σ环€(wěn)定而進(jìn)一步坍縮，成為原恒星的核心，這是恒星形成的必要第一步。*化學(xué)反應(yīng)催化劑:塵埃表面為星際介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)提供了巨大的表面積和相對穩(wěn)定的化學(xué)環(huán)境。許多復(fù)雜的有機(jī)分子（如星際甲烷、氨、醛類等）被認(rèn)為是在塵埃表面通過低溫化學(xué)反應(yīng)合成的，這些分子是構(gòu)成星際分子云和未來行星大氣、海洋的重要前體物質(zhì)。*行星形成的基礎(chǔ)物質(zhì):行星，特別是類地行星，主要由巖石和金屬構(gòu)成，而這些物質(zhì)正是形成早期宇宙中固體塵埃的主要成分。塵埃顆粒是構(gòu)成行星星子、行星核的基礎(chǔ)材料，通過不斷的吸積過程，最終形成了行星。五、計(jì)算題1.解：*氣體密度n_H=100cm?3*氣體平均分子量M_H≈1.3g/(mol·原子質(zhì)量單位)=1.3g/mol*阿伏伽德羅常數(shù)N_A≈6.022×1023mol?1*氣體數(shù)密度n_H=100cm?3*單位體積氣體質(zhì)量ρ_gas=n_H*(M_H/N_A)≈100cm?3*(1.3g/mol/6.022×1023mol?1)≈2.17×10?21g/cm3*塵埃質(zhì)量占?xì)怏w質(zhì)量的1%=0.01*單位體積塵埃質(zhì)量ρ_dust=ρ_gas*0.01≈(2.17×10?21g/cm3)*0.01≈2.17×10?23g/cm3*結(jié)果：約2.17×10?23克/厘米32.解：*入射星光未受reddening影響，其原色指數(shù)V-B_0=0*穿過塵埃云后觀測到的色指數(shù)V-B=+1.5*reddening量Δ(B-V)=(V-B)-(V-B_0)=1.5-0=+1.5mag*色散比R_V=3.1*消光量A_V=R_V*Δ(B-V)=3.1*1.5mag=4.65mag*結(jié)果：4.65mag/pc3.解：*總紅外光度F_ir=103L_sun*觀測波段λ=8-100μm*有效發(fā)射溫度T_d=20K*斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)σ≈5.67×10??W·m?2·K??*假設(shè)星云半徑R=10ly=10*9.46×101?m=9.46×101?m*星云體積V=(4/3)πR3≈(4/3)π(9.46×101?m)3≈3.82×10??m3*總紅外輻射功率P_ir=F_ir*L_sun(其中1L_sun≈3.828×102?W)*P_ir≈103*3.828×102?W=3.828×102?W*總紅外輻射功率P_ir=σ*T_d?*A(其中A是星云表面積)*A≈4πR2≈4π(9.46×101?m)2≈1.13×103?m2*σ*T_d?*A=(5.67×10??W·m?2·K??)*(20K)?*(1.13×103?m2)*σ*T_d?*A≈(5.67×10??)*(1.6×10?)*(1.13×103?)W*σ*T_d?*A≈1.02×1022W*星云紅外輻射功率與塵埃質(zhì)量M_d成正比(假設(shè)V和T_d相對穩(wěn)定)*M_d/M_sun≈P_ir/(σ*T_d?*A)*M_d/M_sun≈(3.828×102?W)/(1.02×1022W)≈3.75×10?*結(jié)果：約3.75×10?M_sun六、論述題星際塵埃在恒星和行星形成過程中扮演著至關(guān)重要的角色