2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星際空間的X射線源和直線譜考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)。）1.下列哪類天體通常表現(xiàn)為強烈的軟X射線源，其主要輻射機制是致密星風的熱韌致輻射？A.中子星B.類星體C.沃夫-拉葉星（WN型星）D.星系團中心黑洞2.21厘米氫原子譜線（Lymanα線系）的產(chǎn)生是由于：A.氦原子從n=2能級躍遷到n=1能級B.氫原子從n=1能級躍遷到n=2能級C.中性氫原子（HI）在磁場作用下發(fā)生塞曼分裂D.中性氫原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子3.在射電天文觀測中，探測到來自某個方向的寬線（LineWidth）信號，最可能意味著該區(qū)域存在：A.高溫、低密度氣體B.低溫、高密度氣體C.氣體以高速隨機運動D.氣體主要進行旋轉(zhuǎn)運動4.下列哪種分子在宇宙空間中廣泛存在，并且其譜線是探測分子云的主要標志之一？A.氧化碳（CO）B.氮氣（N?）C.氫氣（H?）D.水蒸氣（H?O）5.X射線望遠鏡通常需要使用大尺寸的反射鏡，其主要原因在于：A.X射線波長極短，需要大孔徑才能獲得足夠的光通量B.X射線能量高，需要厚重的材料來屏蔽C.X射線穿透能力強，需要大口徑聚焦以獲得空間分辨率D.X射線望遠鏡需要同時觀測寬波段，大口徑可以集成更多探測器6.與同步輻射機制相比，熱韌致輻射產(chǎn)生的X射線譜通常具有：A.更硬的譜（更高能量光子占優(yōu)）B.更寬的譜線寬度C.幾乎沒有譜線結(jié)構(gòu)D.譜強度隨距離的四次方反比下降7.脈沖星發(fā)出的X射線輻射主要來源于：A.其伴星物質(zhì)通過洛希瓣轉(zhuǎn)移形成的吸積盤B.脈沖星自身強大的磁場加速電子運動產(chǎn)生同步輻射C.脈沖星表面的熱輻射D.脈沖星與伴星之間的磁流星活動8.在研究星系結(jié)構(gòu)時，21厘米氫原子譜線的主要作用是：A.測量星系中恒星的年齡和化學成分B.探測星系中的暗物質(zhì)分布C.描繪星系旋臂和盤面的幾何形狀D.測量星系際空間的磁場強度9.下列關(guān)于星際介質(zhì)中分子云的描述，哪項是正確的？A.分子云總是存在于星系的旋臂結(jié)構(gòu)中B.分子云的溫度通常高于幾千開爾文C.分子云主要由中性氫（HI）組成D.分子云是恒星形成的候選區(qū)域10.X射線吸收線（如冷的K吸收線）的出現(xiàn)，通常表明X射線光子在穿過星際介質(zhì)或恒星大氣時，與哪種粒子發(fā)生了相互作用？A.原子核B.帶電粒子（電子）C.中性原子D.離子二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.沃夫-拉葉星（WN型星）的X射線輻射主要來源于其高速（約1000-2000km/s）的__________。2.由于中性氫原子在磁場中自旋取向會分裂，導致21厘米譜線在厘米波段出現(xiàn)三個超精細結(jié)構(gòu)線（B帶、F帶、P帶），這種現(xiàn)象稱為__________效應。3.觀測到來自某個中性氫云的F帶譜線發(fā)生多普勒頻移，其頻率相對于實驗室頻率降低了，這意味著該云相對于我們的運動方向是__________。4.除了21厘米譜線，星際介質(zhì)中還存在由更重原子（如碳、氧、氮）的__________產(chǎn)生的毫米波譜線，這些譜線對于研究特定化學環(huán)境非常重要。5.脈沖星發(fā)出的X射線通常呈現(xiàn)脈沖狀，其脈沖寬度可以非常窄（毫秒級），這主要反映了脈沖星__________的快速自轉(zhuǎn)。6.X射線與物質(zhì)的相互作用方式主要有__________、__________和__________。7.熱電子在磁場中做螺旋運動時發(fā)出的電磁輻射稱為__________。8.為了研究宇宙早期或星系團中心等致密、高溫環(huán)境，天文學家需要使用能夠觀測__________波段（能量范圍）的X射線衛(wèi)星。9.分子云中的氣體密度通常遠高于普通星際氣體，可以達到__________cm?3的數(shù)量級。10.通過分析不同方向上的X射線背景輻射強度，天文學家發(fā)現(xiàn)了彌漫在整個星系際空間的巨大空洞，稱為__________。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述同步輻射輻射譜的主要特征。2.簡述區(qū)分晚型星（如WN型星）和早型星（如WC型星）X射線輻射的主要區(qū)別。3.解釋什么是多普勒寬度和靜動寬度，并說明它們分別反映了什么物理意義。4.射電望遠鏡觀測直線譜（如21厘米譜線）時，為什么要使用很大孔徑的望遠鏡？四、計算題（共20分。請寫出詳細的計算過程和結(jié)果。）1.（10分）一個脈沖星的磁傾角為45度，其磁場強度為1×1012高斯。一個電子以接近光速（c）的速度在脈沖星的磁場中做螺旋運動。假設(shè)電子的回轉(zhuǎn)半徑（gyroradius,r_g=mv_perp/qB）為1光秒（1光秒≈3×101?米）。請計算該電子的回轉(zhuǎn)頻率（同步輻射頻率）是多少赫茲？（電子電荷量q≈1.6×10?1?庫侖，電子質(zhì)量m≈9.1×10?31千克，光速c≈3×10?米/秒。）2.（10分）觀測發(fā)現(xiàn)某個星系團中心區(qū)域存在一個溫度為T=10?K、密度為n=1光子/立方厘米（假設(shè)平均每個粒子貢獻一個熱光子）的等離子體云。請估算該云體的X射線發(fā)射（熱韌致輻射）光度L_X（單位：瓦特）?？梢允褂媒乒絃_X∝n2T?，并取比例系數(shù)A≈1021瓦特·厘米??·開爾文??（僅用于計算數(shù)量級）。注意：1光子/立方厘米≈1.6×1023粒子/立方米。五、論述題（共20分。請圍繞下列問題展開論述。）結(jié)合星際空間的X射線源和直線譜的相關(guān)知識，論述如何利用這兩種電磁波段的觀測數(shù)據(jù)來研究星際介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成分和物理狀態(tài)。請分別說明X射線和直線譜在提供這些信息時各自的優(yōu)勢和局限性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.A5.A6.C7.B8.C9.D10.B二、填空題1.星風2.塞曼3.遠離（或向后）4.拉曼散射5.轉(zhuǎn)速6.光電吸收、康普頓散射、韌致吸收7.同步輻射8.軟X射線9.103-10?10.宇宙空洞三、簡答題1.同步輻射譜是非熱譜，其形狀由電子的能量分布和磁場特性決定，通常表現(xiàn)為在特定能量處有峰值，且強度隨頻率升高先增強后減弱。低頻端（低于同步截止頻率）強度為零，高頻端強度也趨于零。譜形可以通過同步輻射譜函數(shù)描述，峰值頻率與磁場強度和電子最大能量相關(guān)。2.晚型星（WN型）的X射線主要來自高速（1000-2000km/s）的星風，通常表現(xiàn)為相對較硬的譜（峰值能量更高），且可能伴有來自伴星的物質(zhì)吸積形成的軟X射線。WC型星是更晚型星，其星風更快，溫度更高，X射線譜更硬，且常顯示出FeXXV和FeXXVI等重元素高態(tài)的吸收線。兩者都與強烈的磁活動有關(guān)。3.多普勒寬度是指譜線由于氣體整體相對于觀測者的運動（主要是徑向運動）而產(chǎn)生的頻率展寬，反映了氣體的平均或隨機運動速度。靜動寬度（或弗勞恩霍夫?qū)挾龋┦侵笟怏w自身內(nèi)部運動（如旋轉(zhuǎn)、隨機運動）導致的頻率展寬，即使氣體相對于觀測者靜止，譜線也會有此寬度。多普勒寬度與靜動寬度的結(jié)合可以提供關(guān)于氣體運動狀態(tài)（速度彌散、旋轉(zhuǎn)速度等）的完整信息。4.射電波長（厘米或米波段）相對較長，根據(jù)衍射極限，要實現(xiàn)較高的空間分辨率（角分辨率），需要使用孔徑很大的望遠鏡。大孔徑可以提高望遠鏡的集納增益和分辨率，從而能夠區(qū)分星系中遙遠的、密集的射電結(jié)構(gòu)（如旋臂、核球），并清晰地分辨出21厘米譜線（其頻率較低，對應較長的波長）。四、計算題1.解：*電子回轉(zhuǎn)頻率f=v_perp/(2πr_g)*已知v_perp≈c(接近光速)*r_g=mv_perp/qB=mc/qB*f=(mc/qB)/(2πr_g)=c/(2πr_g)*r_g=1光秒=3×101?米*c=3×10?米/秒*q=1.6×10?1?庫侖*B=1×1012高斯=1×1012×(10??特斯拉/高斯)=10?特斯拉*f=(3×10?米/秒)/(2π×3×101?米)=(3×10?)/(6π×101?)赫茲*f≈(0.5/π)×10?2赫茲*f≈0.16×10?2赫茲*f≈1.6×10?3赫茲*（注：此處的計算基于v_perp≈c的簡化假設(shè)，實際情況可能更復雜，且回轉(zhuǎn)半徑與磁場、電子能量有關(guān)，此處按題意使用給定的r_g）2.解：*L_X∝n2T?*n=1光子/立方厘米=1.6×1023粒子/立方米*T=10?K*A≈1021瓦特·厘米??·開爾文?*L_X≈A×(n/(10??粒子/厘米3))2×(T/10?K)?*L_X≈1021×(1.6×1023/10??)2×(10?/10?)?瓦特·厘米?3*L_X≈1021×(1.6×102?)2×(103)?瓦特/立方厘米*L_X≈1021×2.56×10??×1012瓦特/立方厘米*L_X≈2.56×1021????12瓦特/立方厘米*L_X≈2.56×102??12瓦特/立方厘米*L_X≈2.56×10?1瓦特五、論述題利用X射線和直線譜觀測數(shù)據(jù)研究星際介質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分和物理狀態(tài)是現(xiàn)代天文學的重要手段。兩者提供的信息互補，各有優(yōu)勢與局限。X射線源和譜線對于研究高溫（>10?K）星際介質(zhì)至關(guān)重要。X射線主要來源于高能過程，如星風、吸積、磁活動以及極端物理條件（高溫、高壓）。觀測不同類型X射線源（WN型、WC型、中子星、AGN、星系團）的光譜和分布，可以揭示不同能量范圍的物理過程和天體性質(zhì)。X射線吸收線（來自冷氣體或恒星大氣）提供了關(guān)于氣體密度、溫度以及星際磁場的重要信息。X射線能夠穿透氣體塵埃，因此是探測星系中心、星系團等致密區(qū)域物理狀態(tài)的有效工具。其局限性在于觀測設(shè)備昂貴，對大氣和軌道要求高，且難以直接探測到低密度、低溫的星際介質(zhì)。直線譜（特別是21厘米氫原子譜線和毫米波分子譜線）是研究中性氣體和分子云的主要手段。21厘米譜線對中性氫的探測非常靈敏，通過測量譜線強度、寬度和位置，可以繪制星系中HI的分布，確定旋臂結(jié)構(gòu)，測量宇宙速度場，并研究HI云的動力學和形成。多普勒寬度和譜線形狀分析提供了氣體運動速度和密度分布的信息。分子譜線（如CO、氨）則主要存在于低溫、高密度區(qū)域，是識別恒星形成區(qū)的關(guān)鍵標志，通過分析分子譜線可以了解星云