2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的宇宙射線剖析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一種粒子通常不被認(rèn)為是星際空間中的原生宇宙射線成分？A.質(zhì)子B.α粒子（氦核）C.氦原子核D.電子2.宇宙射線能量通常用電子伏特（eV）表示，當(dāng)提到能量為1PeV的宇宙射線時(shí)，這指的是：A.1千萬(wàn)億電子伏特B.1萬(wàn)億電子伏特C.1億億電子伏特D.1千億電子伏特3.在宇宙射線的傳播過(guò)程中，使其能量衰減的主要機(jī)制之一是：A.與星際塵埃的碰撞損失B.在星際磁場(chǎng)中做螺旋運(yùn)動(dòng)C.同步輻射損失能量D.被星際氣體完全吸收4.目前認(rèn)為，來(lái)自超新星遺跡的宇宙射線主要是由超新星爆發(fā)過(guò)程中的哪個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的？A.恒星核塌縮B.中微子湮滅C.磁場(chǎng)加速D.核聚變反應(yīng)5.以下哪種探測(cè)器主要用于探測(cè)來(lái)自宇宙射線的π?介子衰變產(chǎn)生的伽馬射線光子？A.飛秒閃煉計(jì)數(shù)器B.磁譜儀C.天頂探測(cè)望遠(yuǎn)鏡D.正電子探測(cè)器6.宇宙射線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其路徑會(huì)彎曲。彎曲的半徑主要取決于：A.粒子的電荷量和能量B.粒子的質(zhì)量和速度C.星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向D.以上所有因素7.下列哪個(gè)天文現(xiàn)象是宇宙射線與星際氣體相互作用產(chǎn)生的次級(jí)輻射？A.宇宙微波背景輻射B.宇宙X射線背景輻射C.π?介子衰變產(chǎn)生的伽馬射線D.恒星光輻射8.費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡（FermiLAT）在宇宙射線天文學(xué)研究中的一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)是：A.直接探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的質(zhì)子束B(niǎo).發(fā)現(xiàn)了大量高能伽馬射線源，其中許多被認(rèn)為是宇宙射線與星際介質(zhì)相互作用的結(jié)果C.精確測(cè)量了地球磁場(chǎng)強(qiáng)度D.首次證實(shí)了暗物質(zhì)的存在9.所謂的“宇宙射線信標(biāo)”（CosmicRayBeacon）是指：A.發(fā)射強(qiáng)烈射電波的脈沖星B.能夠發(fā)出明確電離信號(hào)的宇宙射線源C.由超新星爆發(fā)產(chǎn)生的、具有清晰能譜特征的宇宙射線源D.暗物質(zhì)湮滅/衰變產(chǎn)生的特定能量峰10.探測(cè)器能夠探測(cè)到宇宙射線粒子的基本前提是：A.粒子必須具有非常高的能量B.粒子必須是帶電的C.粒子能夠與探測(cè)介質(zhì)發(fā)生有效的相互作用D.探測(cè)器必須位于粒子來(lái)源的直線上二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題后的橫線上）1.宇宙射線是起源于______，并傳播到星際空間的高能帶電粒子流。2.宇宙射線在傳播過(guò)程中，會(huì)與星際氣體發(fā)生核反應(yīng)，導(dǎo)致其成分逐漸變得重元素豐富，這一過(guò)程稱為_(kāi)_____。3.宇宙射線粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其回旋半徑與其能量______（填“成正比”或“成反比”）。4.伽馬射線暴（GRB）被認(rèn)為是宇宙中最劇烈的天文事件之一，其伴隨的伽馬射線輻射可能源于______（填“初級(jí)”或“次級(jí)”）宇宙射線與大氣相互作用。5.通過(guò)測(cè)量宇宙射線能譜的“膝”結(jié)構(gòu)（Knee），天文學(xué)家可以推斷出宇宙射線的______（填“最大”或“平均”）能量。6.帕克太陽(yáng)探測(cè)器（ParkerSolarProbe）旨在研究太陽(yáng)大氣（日冕）和______（填“太陽(yáng)風(fēng)”或“星際風(fēng)”）的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，它也能觀測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子事件。7.宇宙射線的探測(cè)通常分為直接探測(cè)和______（填“間接”或“直接”）探測(cè)兩種主要方式。8.活動(dòng)星系核（AGN）是宇宙中強(qiáng)大的宇宙射線加速器，其能量來(lái)源主要是中心超大質(zhì)量黑洞的______（填“引力能”或“核能”）。9.當(dāng)高能宇宙射線質(zhì)子進(jìn)入星際氣體時(shí)，會(huì)與氣體原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生π介子，π介子隨后衰變?yōu)閮蓚€(gè)______（填“光子”或“正負(fù)電子對(duì)”）。10.宇宙射線對(duì)于理解星際磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度提供了重要的______（填“約束”或“描述”）手段。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述宇宙射線與星際氣體相互作用導(dǎo)致的“質(zhì)子剝離”過(guò)程及其意義。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明同步輻射輻射產(chǎn)生的物理機(jī)制及其對(duì)宇宙射線研究的影響。3.比較地面宇宙射線探測(cè)器（如飛秒閃煉計(jì)數(shù)器）和太空宇宙射線探測(cè)器在探測(cè)高能宇宙射線時(shí)的主要優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)一個(gè)能量為10PeV的質(zhì)子（質(zhì)子質(zhì)量m?≈1.67×10?2?kg）垂直進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度為1微高斯（μG=10??T）的均勻磁場(chǎng)中。請(qǐng)計(jì)算該質(zhì)子做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)的回旋半徑（r）和回旋頻率（f）。質(zhì)子的電荷量e≈1.60×10?1?C，普朗克常數(shù)h≈6.63×10?3?J·s，圓周率π≈3.14。提示：質(zhì)子的動(dòng)能E=p2/2m，其中p是動(dòng)量。五、論述題（10分）宇宙射線作為來(lái)自宇宙的高能探針，在探測(cè)天體源、研究星際介質(zhì)和探索宇宙基本問(wèn)題方面發(fā)揮著重要作用。請(qǐng)結(jié)合具體實(shí)例，論述宇宙射線在當(dāng)代天文學(xué)研究中的幾個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.A7.C8.B9.C10.C二、填空題1.宇宙各處2.蓄積3.成正比4.次級(jí)5.最大6.太陽(yáng)風(fēng)7.間接8.引力能9.光子10.約束三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：質(zhì)子剝離是指高能宇宙射線質(zhì)子與星際氣體原子核（主要是氫核）碰撞時(shí)，其能量足以將氣體原子核周圍的電子剝離，使氣體原子核變成裸的質(zhì)子。這個(gè)過(guò)程使得宇宙射線的成分向重核傾斜，并且釋放出的次級(jí)粒子（如π介子及其衰變產(chǎn)物）可以進(jìn)一步參與其他相互作用。其意義在于它是理解宇宙射線成分演化、產(chǎn)生次級(jí)輻射以及反沖核譜的重要機(jī)制。2.解析思路：同步輻射是指帶電粒子（如宇宙射線電子）在磁場(chǎng)中做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，其加速度會(huì)輻射電磁波。輻射的頻率和強(qiáng)度與粒子的能量、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及運(yùn)動(dòng)角度有關(guān)。宇宙射線研究中的同步輻射主要是指高能電子在星系磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的射電輻射。它既可以作為宇宙射線的能量損失機(jī)制，也可以作為探測(cè)宇宙射線的手段（例如通過(guò)觀測(cè)同步輻射輻射來(lái)間接推斷電子分布和磁場(chǎng)），同時(shí)也能解釋一些天文觀測(cè)現(xiàn)象（如蟹狀星云的射電輻射）。3.解析思路：地面探測(cè)器（如FermiLAT）的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)角度靈活，可以覆蓋全天，成本相對(duì)較低，并且可以探測(cè)到能量非常高的宇宙射線（伽馬射線望遠(yuǎn)鏡）。劣勢(shì)在于受到地球大氣層的嚴(yán)重阻礙，主要只能探測(cè)到穿透大氣層的次級(jí)宇宙射線（如π?衰變光子），且對(duì)于極低能量和極高能量的宇宙射線探測(cè)能力有限。太空探測(cè)器（如帕克、阿爾法磁譜儀）的優(yōu)勢(shì)在于可以不受大氣干擾，直接探測(cè)初級(jí)宇宙射線粒子，覆蓋能量范圍更廣（從MeV到PeV甚至更高），可以觀測(cè)特定天區(qū)（如太陽(yáng)），獲取更純凈的初級(jí)粒子數(shù)據(jù)。劣勢(shì)在于成本高昂，維護(hù)困難，觀測(cè)時(shí)間受任務(wù)規(guī)劃限制，且通常無(wú)法覆蓋全天。四、計(jì)算題解析思路：首先，根據(jù)質(zhì)子能量計(jì)算其動(dòng)量p。E=p2/2m→p=√(2mE)。將能量E從PeV轉(zhuǎn)換為Joule（1PeV=1×101?eV，1eV=1.60×10?1?J）。然后，利用洛倫茲力提供向心力F=qvB=mv2/r→r=mv/qB。將動(dòng)量p代入，得到r=p/qB?；匦l率f是粒子完成一周所需時(shí)間（周期T=2πr/v）的倒數(shù)，v可以用p/m得到，所以f=v/(2πr)=qB/(2πm)。計(jì)算過(guò)程：E=10PeV=10×101?eV×1.60×10?1?J/eV=1.60×10?2Jp=√(2mE)=√(2×1.67×10?2?kg×1.60×10?2J)≈7.35×10?1?kg·m/sr=p/qB=(7.35×10?1?kg·m/s)/(1.60×10?1?C×1×10??T)≈4.60×10?m=4.60Gmf=qB/(2πm)=(1.60×10?1?C×1×10??T)/(2×3.14×1.67×10?2?kg)≈1.52×10?Hz答案：回旋半徑r≈4.60Gm；回旋頻率f≈1.52GHz五、論述題解析思路：論述題要求結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明宇宙射線在幾個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的貢獻(xiàn)?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面展開(kāi)：1.揭示天體源的性質(zhì)和能量：宇宙射線是直接來(lái)自天體源的“快車”，其能量和成分能反映加速源（如超新星遺跡、AGN）的物理?xiàng)l件（如磁場(chǎng)強(qiáng)度、密度、能量輸出）。例如，蟹狀星云的宇宙射線能譜可以用來(lái)反推中心中子星的活動(dòng)和磁場(chǎng)。2.探測(cè)星際介質(zhì)：宇宙射線與星際氣體、塵埃和磁場(chǎng)相互作用，其行為（如能量損失、分布變化）可以提供關(guān)于星際介質(zhì)性質(zhì)的信息。例如，通過(guò)測(cè)量不同地區(qū)的宇宙射線譜，可以推斷星際磁場(chǎng)的大小和結(jié)構(gòu)。3.作為高能物理探針：宇宙射線是來(lái)自宇宙的天然高能粒子束流，可以用來(lái)研究極端物理?xiàng)l件下