2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的星系撞擊和合并考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在星系碰撞與合并過程中，主要驅(qū)動(dòng)力量來源是？A.恒星間的直接碰撞B.氣體云的碰撞和引力相互作用C.宇宙膨脹的斥力D.星系磁場(chǎng)的作用2.以下哪個(gè)現(xiàn)象通常不被認(rèn)為是星系碰撞的直接視覺證據(jù)？A.潮汐尾的形成B.星系核的快速自轉(zhuǎn)加速C.星系盤的扭曲和變形D.短暫的星系核活動(dòng)增強(qiáng)3.M81和M82星系系統(tǒng)是研究星系碰撞的經(jīng)典案例，M82呈現(xiàn)出的高速度流主要是由什么驅(qū)動(dòng)的？A.本星系群的引力作用B.與M81碰撞時(shí)產(chǎn)生的引力擾動(dòng)C.內(nèi)部恒星形成爆發(fā)導(dǎo)致的壓力D.環(huán)繞其中心超大質(zhì)量黑洞的吸積盤4.星系碰撞過程中，氣體云碰撞導(dǎo)致的激波能夠顯著加熱氣體，其能量最終主要轉(zhuǎn)化為？A.恒星的動(dòng)能B.星系整體的引力勢(shì)能C.星系核活動(dòng)（AGN）的輻射能D.恒星形成爆發(fā)中的化學(xué)能5.N體模擬在研究星系合并時(shí)主要關(guān)注的是什么？A.氣體動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)B.恒星形成效率的變化C.星系中恒星和暗物質(zhì)的引力相互作用D.觀測(cè)波段的輻射特性6.“風(fēng)車星系”（ComaBerenices）的名稱來源于其形態(tài)，這種形態(tài)最可能是由以下哪個(gè)過程形成的？A.單一星系的緩慢自轉(zhuǎn)B.與多個(gè)星系群的多次相互作用C.一次劇烈的星系合并事件D.星系核活動(dòng)的噴流作用7.星系合并對(duì)于形成橢圓星系的主要作用機(jī)制被認(rèn)為是？A.并合過程中氣體被有效清除，阻止了新的恒星形成B.并合導(dǎo)致星系中心區(qū)域恒星密度急劇增加C.合并過程中產(chǎn)生的引力擾動(dòng)使恒星軌道高度混亂D.合并后星系迅速進(jìn)入穩(wěn)定的被動(dòng)演化階段8.觀測(cè)到星系合并時(shí)產(chǎn)生的引力波主要依賴于合并對(duì)象的哪些特性？A.合并星系的視向速度和距離B.合并星系的總質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度C.合并過程中釋放的總能量和角動(dòng)量D.觀測(cè)儀器對(duì)特定頻率電磁波的靈敏度9.早期宇宙（如宇宙形成初期）觀測(cè)到的星系合并事件，與當(dāng)代星系團(tuán)中心觀測(cè)到的合并事件，其顯著區(qū)別可能是？A.早期合并事件涉及的星系質(zhì)量通常更大B.早期合并事件中氣體含量相對(duì)較少C.早期宇宙中暗物質(zhì)暈的密度分布不同D.早期合并事件更傾向于形成巨大的橢圓星系10.事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）等觀測(cè)項(xiàng)目能夠觀測(cè)到活動(dòng)星系核噴流或星系合并的近核區(qū)域，其利用的主要物理原理是？A.星系際介質(zhì)的散射效應(yīng)B.噴流或核區(qū)發(fā)出的強(qiáng)射電信號(hào)C.自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的引力透鏡效應(yīng)D.原子彈星系核的伽馬射線輻射二、填空題（每空2分，共20分）1.星系碰撞過程中，由于引力差異導(dǎo)致部分物質(zhì)被拉伸形成長(zhǎng)長(zhǎng)的尾狀結(jié)構(gòu)，稱為__________。2.當(dāng)兩個(gè)星系中心的超大質(zhì)量黑洞最終合并時(shí)，會(huì)以__________的形式輻射出巨大的引力波能量。3.觀測(cè)表明，許多橢圓星系和透鏡狀星系顯示出殘留的__________結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是過去星系合并的遺跡。4.碰撞/合并過程中的恒星形成爆發(fā)（Starburst）通常伴隨著強(qiáng)烈的__________輻射，使星系呈現(xiàn)特殊顏色。5.氣體在星系碰撞中發(fā)生碰撞和摩擦，導(dǎo)致氣體溫度升高、壓力增大，形成__________，進(jìn)而觸發(fā)大規(guī)模恒星形成。6.除了電磁波，星系合并特別是超大質(zhì)量黑洞合并還會(huì)產(chǎn)生__________，為多信使天文學(xué)研究提供了新途徑。7.星系合并過程中，角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移對(duì)于形成盤狀結(jié)構(gòu)或核球至關(guān)重要，__________機(jī)制在其中扮演了重要角色。8.暗物質(zhì)暈在星系合并過程中起著主導(dǎo)作用，其__________特性直接影響合并的動(dòng)力學(xué)演化和最終結(jié)果。9.通過分析星系光譜中的發(fā)射線線寬，可以估算碰撞中星系核區(qū)域的__________。10.星系合并是構(gòu)成宇宙大尺度結(jié)構(gòu)如__________形成和演化的重要?jiǎng)恿^程。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述星系碰撞與合并對(duì)星系形態(tài)演化的主要影響。2.解釋什么是“食積效應(yīng)”，以及它如何在星系合并中影響活動(dòng)星系核的活動(dòng)水平。3.簡(jiǎn)要說明射電觀測(cè)在研究星系碰撞過程中的作用。4.為什么說暗物質(zhì)暈在星系合并動(dòng)力學(xué)中扮演著關(guān)鍵角色？四、計(jì)算題（共10分）假設(shè)有兩個(gè)質(zhì)量分別為M?和M?（M?>M?）的星系，初始時(shí)沿視線方向相向運(yùn)動(dòng)，速度大小均為v?，兩者中心間距為d。忽略其他星系和宇宙膨脹的影響，估算它們?cè)谝ψ饔孟率状谓咏街行拈g距為d/2時(shí)，系統(tǒng)總的引力勢(shì)能變化量（以無窮遠(yuǎn)處引力勢(shì)能為零計(jì)）?？捎靡Τ?shù)G。五、論述題（共30分）論述星系合并對(duì)于理解宇宙中星系形成和演化的重要性。請(qǐng)結(jié)合觀測(cè)證據(jù)、模擬結(jié)果以及關(guān)鍵物理過程（如恒星形成爆發(fā)、核活動(dòng)、暗物質(zhì)作用等），闡述星系合并如何塑造了不同類型星系的特征，并說明其在宇宙學(xué)尺度上的意義。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.C5.C6.C7.A8.C9.C10.D二、填空題1.潮汐尾2.引力波3.橢圓狀/核球狀4.紅外5.激波6.引力波7.動(dòng)量守恒/角動(dòng)量轉(zhuǎn)移8.相對(duì)分布/相互作用9.速度10.星系團(tuán)三、簡(jiǎn)答題1.答：星系碰撞與合并能顯著改變星系形態(tài)。碰撞的引力擾動(dòng)可以撕裂、扭曲原有的星系盤，使其變形；合并過程可能導(dǎo)致星系中心物質(zhì)密度急劇增加，形成或增強(qiáng)核球；氣體碰撞和激波作用能觸發(fā)大規(guī)模恒星形成爆發(fā)，改變星系顏色和星族構(gòu)成；合并最終可能形成一個(gè)更大的橢圓星系或透鏡狀星系。引力相互作用也可能導(dǎo)致伴星系核的形成。2.答：食積效應(yīng)是指活動(dòng)星系核（AGN）中心超大質(zhì)量黑洞（SMBH）從吸積盤或伴星系中持續(xù)、穩(wěn)定地吸積物質(zhì)的過程。在星系合并過程中，合并后的引力不穩(wěn)定、氣體集中或軌道遷移可能導(dǎo)致SMBH的吸積率突然增加或長(zhǎng)期高于穩(wěn)定狀態(tài)，即發(fā)生食積，從而驅(qū)動(dòng)強(qiáng)烈的核活動(dòng)，表現(xiàn)為噴流、輻射等。3.答：射電觀測(cè)在研究星系碰撞中有重要作用。碰撞過程中的恒星形成爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射電星云輻射。高速運(yùn)動(dòng)的氣體云碰撞會(huì)產(chǎn)生逆康普頓散射，發(fā)出同步輻射。碰撞可能觸發(fā)或增強(qiáng)活動(dòng)星系核的活動(dòng)，其噴流和噴流相關(guān)的粒子加速也能在射電波段產(chǎn)生顯著信號(hào)。射電觀測(cè)可以有效揭示碰撞中星系結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，特別是氣體動(dòng)力學(xué)過程和伴星系核的存在。4.答：暗物質(zhì)暈是包圍星系的主要成分，其質(zhì)量通常遠(yuǎn)超可見恒星質(zhì)量。星系合并首先是暗物質(zhì)暈的合并，由于暗物質(zhì)不與普通物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，其合并過程主要受引力控制，決定了合并的整體動(dòng)力學(xué)框架和動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度。合并中星系間的引力相互作用主要通過暗物質(zhì)暈實(shí)現(xiàn)，決定了氣體云的碰撞、角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移和最終星系結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)暈的相對(duì)分布（如碰撞方向、相對(duì)速度）對(duì)合并后的星系性質(zhì)有決定性影響。四、計(jì)算題解：設(shè)兩星系質(zhì)心初始位置分別為r?和r?，間距d=r?+r?。合并時(shí)質(zhì)心間距為d/2，即r?'+r?'=d/2。設(shè)兩星系質(zhì)量分別為M?和M?。初始引力勢(shì)能：U_initial=-G*M?*M?/d合并后引力勢(shì)能：U_final=-G*M?*M?/(d/2)=-2*G*M?*M?/d引力勢(shì)能變化量ΔU=U_final-U_initialΔU=(-2*G*M?*M?/d)-(-G*M?*M?/d)ΔU=-G*M?*M?/d解析思路：計(jì)算兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)在距離變化時(shí)的引力勢(shì)能變化。初始狀態(tài)兩質(zhì)心相距d，合并后相距d/2。引力勢(shì)能公式為U=-G*M?*M?/r。直接代入初始和最終距離計(jì)算即可得到勢(shì)能變化量。五、論述題答：星系合并對(duì)于理解宇宙中星系形成和演化至關(guān)重要。它是宇宙中普遍發(fā)生的劇烈事件，塑造了大多數(shù)星系，特別是大質(zhì)量星系的最終形態(tài)和性質(zhì)。首先，觀測(cè)表明，大量橢圓星系和透鏡狀星系普遍存在潮汐尾、核球等結(jié)構(gòu)，以及殘留的旋臂結(jié)構(gòu)，這些都是過去經(jīng)歷或正在進(jìn)行的星系合并的直接證據(jù)。模擬研究也一致顯示，星系合并是形成橢圓星系的主要途徑，通過引力相互作用和氣體碰撞，合并過程有效地將氣體清除，抑制了新的恒星形成，使星系最終演化為致密、圓滑的橢圓形態(tài)。其次，星系合并顯著影響星系核的活動(dòng)性。合并過程中的引力擾動(dòng)和氣體集中可以觸發(fā)或增強(qiáng)中心超大質(zhì)量黑洞的吸積，形成活動(dòng)星系核（AGN）或類星體（QSO）。合并過程中的“食積效應(yīng)”導(dǎo)致黑洞吸積率大幅增加，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射和噴流，對(duì)星系內(nèi)的氣體和恒星形成產(chǎn)生重要反饋?zhàn)饔?，甚至可能通過反饋調(diào)節(jié)星系的整體演化。第三，星系合并是觸發(fā)大規(guī)模恒星形成爆發(fā)（Starburst）的重要機(jī)制。碰撞和并合導(dǎo)致星系中心區(qū)域氣體密度急劇升高，引力不穩(wěn)定，并在激波、加熱等作用下觸發(fā)大規(guī)模、短時(shí)標(biāo)的恒星形成活動(dòng)，使星系呈現(xiàn)特殊的紅外或紫外輻射特征。第四，暗物質(zhì)暈在星系合并中扮演核心角色。暗物質(zhì)暈的引力作用主導(dǎo)了合并的動(dòng)力學(xué)過程，決定了合并的效率