2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際物質(zhì)的物態(tài)轉(zhuǎn)變機制考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)。）1.在星際介質(zhì)中，由電離氫原子（HI）和電離氫離子（HII）組成的區(qū)域，其主要發(fā)光機制是？A.輻射冷卻B.感應(yīng)輻射C.寬線發(fā)射D.負(fù)離子復(fù)合發(fā)光2.下列哪一項不是導(dǎo)致星際氣體冷卻的主要機制？A.氫原子和氫分子的輻射冷卻B.塵埃顆粒的輻射冷卻C.離子與中性原子之間的庫侖碰撞D.宇宙射線的能量沉積3.星際塵埃的主要成分中，哪一種成分的吸收和散射特性在紅外波段表現(xiàn)得尤為顯著？A.碳原子B.氧化硅晶體C.碳?xì)浠衔铮≒AHs）D.冰（水冰）4.分子云形成的關(guān)鍵條件通常不包括？A.足夠低的溫度以抑制分子的解離B.足夠高的密度以增強分子形成反應(yīng)C.存在大量的星際塵埃顆粒作為催化劑D.強烈的恒星紫外輻射提供初始能量5.HII區(qū)的中心區(qū)域（致密區(qū)）通常呈現(xiàn)哪種狀態(tài)？A.低溫、高密度、中性氣體B.低溫、低密度、部分電離氣體C.高溫、低密度、完全電離等離子體D.高溫、高密度、分子氣體6.在星際介質(zhì)中，電離區(qū)的邊界（HII區(qū)的邊緣）通常表現(xiàn)為？A.一條清晰的亮邊B.一條暗淡的吸收帶C.一條由中性氣體和電離氣體混合形成的過渡帶D.一條彌漫的發(fā)射線7.塵埃顆粒在星際介質(zhì)中主要通過哪種過程增長到宏觀尺寸？A.直接從氣體相凝結(jié)形成B.小塵埃顆粒通過碰撞粘附C.原子與塵埃表面的化學(xué)反應(yīng)D.恒星風(fēng)剝離氣體形成8.下列哪種天文觀測波段對于探測星際塵埃最為有效？A.可見光B.紫外線C.紅外線D.X射線9.恒星風(fēng)對星際介質(zhì)的主要影響之一是？A.提供冷卻效應(yīng)，降低氣體溫度B.加熱氣體，驅(qū)動星際風(fēng)C.促進分子形成，增加氣體密度D.使氣體迅速電離，形成HII區(qū)10.當(dāng)星際氣體密度增大時，其主要物理后果之一是？A.加速氣體冷卻，可能導(dǎo)致分子形成B.減弱恒星輻射對氣體的穿透，增強加熱效應(yīng)C.降低氣體溫度，使其更易于電離D.減少塵埃的散射作用二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上。）1.星際介質(zhì)的主要化學(xué)成分是氫和氦，此外還包含少量__________、__________和復(fù)雜的有機分子。2.塵埃顆粒在星際介質(zhì)中起著至關(guān)重要的作用，它們不僅是__________的場所，也能通過散射和吸收恒星輻射來__________氣體溫度。3.分子云通常處于非常__________的狀態(tài)，這使得分子如水（H?O）、氨（NH?）等能夠穩(wěn)定存在。4.恒星紫外輻射是電離星際氣體的主要__________，它能夠?qū)⒅行栽觿冸x電子，形成等離子體。5.影響星際物質(zhì)物態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵參數(shù)包括__________、__________、磁場和宇宙射線密度等。6.低溫（<100K）是分子云形成和分子存在的必要條件，這主要是因為__________。7.HII區(qū)的輻射場強度隨距離中心__________而減弱，其光譜特征也會相應(yīng)地發(fā)生變化。8.塵埃的__________特性使其成為重要的冷卻劑，它們能夠以紅外輻射的形式釋放捕獲的能量。9.宇宙射線對星際介質(zhì)的影響包括__________氣體和離子化塵埃，并參與調(diào)節(jié)電離平衡。10.星際介質(zhì)的__________不穩(wěn)定性（密度梯度超過某個臨界值）是觸發(fā)氣體引力坍縮，形成恒星或分子云的重要機制。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述電離區(qū)（HII區(qū)）內(nèi)部和外部的氣體性質(zhì)（如溫度、密度、主要成分）有何不同。2.解釋什么是塵埃的“遮蔽效應(yīng)”，并說明其對恒星觀測的影響。3.列舉至少三種不同的物理機制，可以加熱星際氣體。4.分子云是如何從彌漫的星際氣體中形成的？簡述其主要的形成階段。四、計算題（共10分。）假設(shè)一個HII區(qū)半徑為10光年，中心是一顆O型星，其光度為10?L☉。已知在距離中心5光年處，氣體溫度約為8000K，電子密度約為100cm?3。請估算：（1）在5光年處，中性氫（HI）的數(shù)目密度大約是多少？（假設(shè)HII區(qū)內(nèi)幾乎完全電離，且電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)）（2）簡述你進行估算時所做的關(guān)鍵假設(shè)。五、論述題（共30分。）論述星際介質(zhì)中塵埃顆粒的形成、演化和作用。請涵蓋以下方面：（1）宇宙早期可能的塵埃形成來源；（2）塵埃在星際介質(zhì)中的主要物理化學(xué)性質(zhì)；（3）塵埃如何通過冷卻和輻射加熱影響星際氣體的物態(tài)和演化；（4）塵埃與分子形成過程的關(guān)聯(lián)；（5）塵埃在觀測上（如紅外天文學(xué)）的重要性。---試卷答案一、選擇題1.C2.D3.D4.D5.C6.C7.B8.C9.B10.A二、填空題1.氦，金屬元素2.分子形成，冷卻3.密，暗4.能源5.溫度，密度6.分子解離能相對較低7.增加（或上升）8.輻射冷卻9.電離，電離10.奧爾特三、簡答題1.解析思路：電離區(qū)內(nèi)部由于受到中心恒星的強烈紫外輻射，氣體被高度電離，主要是HII和電子，溫度較高（可達數(shù)萬K）。密度相對較低。外部（遠(yuǎn)離中心）紫外輻射減弱，氣體以中性HI為主，溫度較低（數(shù)千K），密度較高，可能包含分子云和塵埃。*答案：HII區(qū)內(nèi)部主要是電離氣體（HII）和電子，溫度高（數(shù)萬K），密度低。外部主要是中性氫（HI），溫度低（數(shù)千K），密度高，并可能存在分子云和塵埃。2.解析思路：塵埃顆?？梢晕湛梢姽夂妥贤夤猓⑵淠芰哭D(zhuǎn)化為熱能，然后主要在紅外波段輻射出去。當(dāng)視線穿過富含塵埃的區(qū)域時，可見光和紫外光會被強烈吸收，導(dǎo)致我們難以看到該區(qū)域背后的恒星或星云，即遮蔽效應(yīng)。同時，吸收的紫外輻射加熱了塵埃，使其發(fā)出紅外輻射，可以通過紅外望遠(yuǎn)鏡探測到。*答案：塵埃顆粒吸收可見光和紫外光，將其能量轉(zhuǎn)化為熱能，并在紅外波段輻射。當(dāng)視線穿過富含塵埃的區(qū)域時，可見光和紫外光被吸收，導(dǎo)致我們看不到該區(qū)域背后的天體，稱為遮蔽效應(yīng)。吸收的紫外光加熱塵埃，使其發(fā)出紅外輻射，可用于探測。3.解析思路：星際氣體可以被多種機制加熱。恒星輻射可以直接加熱氣體。超新星爆發(fā)的沖擊波可以加熱和壓縮氣體。宇宙射線與氣體粒子碰撞也會沉積能量。磁場與等離子體相互作用（如波粒相互作用）也能提供加熱。某些化學(xué)反應(yīng)也可能釋放能量。*答案：恒星輻射直接加熱；超新星爆發(fā)的沖擊波加熱；宇宙射線與氣體碰撞加熱；磁場與等離子體相互作用加熱；某些化學(xué)反應(yīng)釋放能量等。4.解析思路：星際介質(zhì)在受到引力、密度擾動或冷卻效應(yīng)影響下變得不穩(wěn)定，部分區(qū)域密度開始增加。當(dāng)密度超過臨界值后，氣體開始引力坍縮。坍縮過程中，氣體被壓縮，溫度升高，紫外輻射增強，這會電離氣體并驅(qū)散周圍的氣體，同時塵埃顆?？赡茉谠撨^程中凝聚或聚集，最終可能形成分子云或恒星。*答案：星際介質(zhì)因引力、擾動或冷卻變得不穩(wěn)定，局部區(qū)域密度增加超過臨界值，發(fā)生引力坍縮。坍縮過程中氣體被壓縮升溫，紫外輻射增強導(dǎo)致氣體電離，并可能伴隨塵埃凝聚或聚集，最終形成分子云或恒星。四、計算題（1）解析思路：根據(jù)Saha方程的簡化形式，在高度電離區(qū)，n_e≈n_HII。利用理想氣體狀態(tài)方程PV=n_kT，其中V=4/3πR3（假設(shè)為球形），可以估算n_HII。P≈n_HII*k*T/m_H，其中m_H是氫原子質(zhì)量。結(jié)合密度定義n=N/V，其中N是粒子數(shù)，n是粒子數(shù)密度。需要將L☉轉(zhuǎn)換為能量密度或?qū)?shù)概率密度，但題目只要求估算HI數(shù)目密度，可以利用電離平衡概念，HI+γ→HII+e?，在穩(wěn)態(tài)下n_HI*f_ion=n_HII，其中f_ion是電離分?jǐn)?shù)，與恒星紫外光度有關(guān)。估算時通常需要假設(shè)一個典型的電離度和HI柱密度。*答案：假設(shè)n_HII≈n_e≈100cm?3。在電離區(qū)邊緣，n_HI≈n_HII/f_ion。電離度f_ion與中心恒星光度L和距離R有關(guān)，估算時可取典型值，如f_ion≈(L/R2)*τ_H，其中τ_H是HII區(qū)的光學(xué)厚度，可估計為1-10。取L≈10?L☉，R=5lyr≈1.5×101?cm。取f_ion≈0.1。則n_HI≈100/0.1=1000cm?3。（此為簡化估算，實際計算更復(fù)雜，需考慮紫外光度分布、光學(xué)厚度徑向變化等）。（2）解析思路：主要假設(shè)包括：HII區(qū)近似球形對稱；氣體遵循理想氣體定律；HII區(qū)內(nèi)幾乎完全電離（n_e≈n_HII）；電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)（忽略重元素電離）；電子溫度等于氣體溫度；利用了簡化的Saha平衡和理想氣體狀態(tài)方程；使用了典型的電離度估算關(guān)系；假設(shè)了HII區(qū)的光學(xué)厚度。五、論述題解析思路：此題要求全面論述塵埃的各個方面。首先從宇宙早期來源（大爆炸殘余？恒星風(fēng)？超新星？）談起。然后詳細(xì)闡述其物理性質(zhì)（尺寸分布、成分、溫度、光學(xué)特性如吸收和散射）。重點論述其兩大核心作用：冷卻（通過紅外輻射帶走能量，使氣體降溫，促進分子形成）和加熱（吸收紫外光加熱氣體，維持電離平衡）。說明塵埃如何作為催化劑促進分子形成（表面反應(yīng)）。強調(diào)塵埃對觀測的重要性（紅外天文學(xué)的基礎(chǔ)，探測分子云、HII區(qū)、致密星云等）。最后可以簡要提及塵埃自身的演化（凝聚增長、與氣體相互作用、被恒星吞噬等）。*答案：（1）宇宙早期可能存在大爆炸殘余的極輕元素塵埃，但主要來源被認(rèn)為是恒星演化過程，如恒星風(fēng)、超新星爆發(fā)噴射出富含重元素的物質(zhì)，這些物質(zhì)在星際空間中冷卻并凝聚成塵埃顆粒。（2）星際塵埃顆粒通常呈球形或橢球形，尺寸從微米到亞微米，主要成分是硅酸鹽、石墨狀碳，也可能含有冰、金屬氧化物等，成分隨形成環(huán)境和演化階段而變化。它們在星際介質(zhì)中溫度較低，通常在幾K到幾百度之間，具體取決于其吸收和輻射的平衡。（3）塵埃是星際介質(zhì)重要的冷卻劑。它們可以高效地吸收氣體中過剩的能量（主要是電子能量），然后通過發(fā)射紅外線將能量輻射回空間，從而降低氣體溫度。這種冷卻作用對于氣體從高溫狀態(tài)（如HII區(qū)）冷卻下來，進入分子云形成的低溫狀態(tài)至關(guān)重要。同時，塵埃也能吸收恒星紫外輻射，對氣體產(chǎn)生加熱效應(yīng)，尤其是在低密度區(qū)域，這種加熱有助于維持電離平衡，阻止氣體過度冷卻和分子過度形成。（4）塵埃顆粒表面