2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星體演化過程中的恒星周期性變化考試時間：______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(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪類恒星是由于內(nèi)部引力不穩(wěn)定導(dǎo)致的周期性脈動？A.M型紅矮星B.矮星（DwarfStars）C.蠕動變星（RVTauri）D.脈動變星（如RRLyrae,Cepheid）2.Cepheid變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的主要依據(jù)是其：A.脈動周期非常穩(wěn)定B.脈動周期與光度高度相關(guān)C.光變曲線形態(tài)簡單D.觀測歷史悠久3.恒星光譜線發(fā)生系統(tǒng)性紅移，最主要的原因是：A.恒星大氣存在金屬吸收線B.恒星正在進(jìn)行核聚變反應(yīng)C.恒星正在遠(yuǎn)離我們D.恒星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致多普勒效應(yīng)4.恒星從主序階段演變?yōu)榧t巨星時，其自轉(zhuǎn)速度通常：A.保持不變B.明顯加快C.明顯減慢D.先加快后減慢5.黑子是太陽光球?qū)由系模篈.溫度較高的區(qū)域B.溫度較低的暗區(qū)C.強(qiáng)烈的耀斑爆發(fā)D.恒星風(fēng)集中噴射區(qū)域6.脈沖星（Pulsar）發(fā)出的周期性射電脈沖，其主要能量來源是：A.恒星內(nèi)部的核反應(yīng)B.恒星磁場加速帶電粒子C.恒星吸積外部物質(zhì)D.恒星自轉(zhuǎn)的機(jī)械能7.白矮星表面D型變星的光變周期，主要與：A.恒星核心溫度變化有關(guān)B.恒星表面大氣離子化狀態(tài)變化有關(guān)C.恒星自轉(zhuǎn)速度變化有關(guān)D.恒星磁場強(qiáng)弱變化有關(guān)8.恒星活動水平通常用以下哪個現(xiàn)象來衡量？A.光變曲線的振幅B.譜線的多普勒寬度C.射電輻射的強(qiáng)度D.黑子數(shù)量和大小9.對于同一類型的脈動變星（如Cepheid），其脈動周期越短，通常意味著：A.恒星質(zhì)量越大B.恒星光度越低C.恒星距離我們越近D.恒星表面重力加速度越小10.X射線雙星中，如果存在準(zhǔn)周期變源（QPOs），這通常表明：A.雙星系統(tǒng)存在行星B.吸積盤內(nèi)存在周期性過程（如內(nèi)稟振蕩或流不穩(wěn)定性）C.恒星自轉(zhuǎn)速度發(fā)生周期性變化D.黑洞正在發(fā)生噴流活動二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.恒星內(nèi)部因引力梯度與壓力梯度不平衡而引發(fā)的自激振蕩稱為________。2.能夠通過脈動周期直接測定其距離的變星類型是________。3.由恒星內(nèi)部的對流運(yùn)動和磁場相互作用產(chǎn)生的周期性現(xiàn)象，如耀斑和黑子，主要發(fā)生在________層。4.恒星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致其光譜線發(fā)生寬化和位移的現(xiàn)象，稱為________效應(yīng)。5.脈沖星快速旋轉(zhuǎn)并具有強(qiáng)大磁場的中子星，其周期性輻射主要源于________機(jī)制。6.白矮星表面的反常吸收現(xiàn)象（如SiII3416A線的雙線結(jié)構(gòu)）是________型變星光變的直接證據(jù)。7.恒星活動水平隨時間呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性變化的現(xiàn)象，在晚型巨星上被稱為________。8.解釋恒星自轉(zhuǎn)速率在演化過程中發(fā)生變化的一個關(guān)鍵機(jī)制是________。9.觀測遙遠(yuǎn)星系中遙遠(yuǎn)Cepheid變星，是建立現(xiàn)代宇宙學(xué)距離尺度的關(guān)鍵一步，這利用了其________效應(yīng)。10.除了周期性射電脈沖，脈沖星有時還會發(fā)射________、X射線甚至伽馬射線等周期性信號。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述恒星內(nèi)部的對流不穩(wěn)定如何導(dǎo)致恒星表面出現(xiàn)周期性的亮度變化。2.解釋多普勒效應(yīng)如何使得我們觀測到自轉(zhuǎn)恒星的譜線輪廓發(fā)生變化。3.比較Cepheid變星和RRLyrae變星在脈動特性（周期、光度、化學(xué)組成）和主要應(yīng)用上的主要區(qū)別。四、計(jì)算題（6分）假設(shè)一顆Cepheid變星的光度變化呈簡單的正弦型，其平均光度為L?，光變振幅為ΔL，脈動周期為P。當(dāng)該變星處于光度最高點(diǎn)時，其相對光度L/L?為1.2。請計(jì)算當(dāng)該變星的相對光度為0.9時，其處于光度最高點(diǎn)的多少個周期之后？（結(jié)果以P為單位）五、論述題（9分）論述恒星自轉(zhuǎn)速率的變化對其表面活動水平（如光變、星周流、射電發(fā)射等）以及整體演化路徑可能產(chǎn)生的影響。請結(jié)合具體的物理機(jī)制進(jìn)行說明。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.B6.B7.B8.C9.B10.B二、填空題1.恒星脈動（StellarPulsation）2.Cepheid3.色球（Chromosphere）4.塞耳麥（Selmer）5.磁星（Magnetar）/強(qiáng)磁場粒子加速6.D型（D-type）7.短周期光變（Short-termPhotometricVariability）/Superflare8.磁場剎車（MagneticBraking）9.標(biāo)準(zhǔn)燭光（StandardCandle）10.伽馬射線（Gamma-ray）三、簡答題1.解析思路：對流是能量在恒星內(nèi)部通過物質(zhì)大規(guī)模運(yùn)動進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健Ｔ谝ψ饔孟?，恒星?nèi)部較熱、較輕的物質(zhì)會向外部對流區(qū)上升，而較冷、較重的物質(zhì)則會下沉。這種上升和下降的運(yùn)動并非完全隨機(jī)，會受到科里奧利力等因素影響，可能導(dǎo)致流體中出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩模式。當(dāng)對流區(qū)域與引力不穩(wěn)定區(qū)域重疊時，這種對流運(yùn)動就能驅(qū)動恒星內(nèi)部的聲波或重力波發(fā)生周期性振蕩，進(jìn)而引起恒星表面的微小、但有規(guī)律的膨脹和收縮，導(dǎo)致亮度發(fā)生變化。2.解析思路：恒星如同一個旋轉(zhuǎn)的剛體，其表面各點(diǎn)相對于觀測者具有不同的視向速度?？拷赞D(zhuǎn)軸且朝向觀測者的點(diǎn)正在接近，其發(fā)出的光波會被壓縮，頻率增加，表現(xiàn)為光譜線藍(lán)移；而遠(yuǎn)離觀測者的點(diǎn)正在遠(yuǎn)離，其發(fā)出的光波會被拉伸，頻率降低，表現(xiàn)為光譜線紅移。對于快速自轉(zhuǎn)的恒星，這種藍(lán)移和紅移的差值會很大，導(dǎo)致整個光譜線包絡(luò)發(fā)生顯著的展寬。如果恒星的自轉(zhuǎn)軸與視線不完全平行，譜線的一側(cè)會累積更多的藍(lán)移成分，另一側(cè)則累積更多的紅移成分，呈現(xiàn)不對稱的輪廓。3.解析思路：Cepheid變星和RRLyrae變星都是脈動變星，但它們在多個方面存在顯著差異：*周期：Cepheid變星的周期通常較長（幾天到幾個月），而RRLyrae變星的周期則很短（幾小時到一天多）。*光度：Cepheid變星的光度非常高，屬于巨星或超巨星，絕對星等變化范圍相對較窄（約1-2等）。RRLyrae變星的光度較低，屬于主序晚期或紅巨星，絕對星等通常更接近太陽（約+0.6等），變化范圍相對較寬（約0.3-1.8等）。*化學(xué)組成：Cepheid變星通常擁有太陽金屬豐度（[Fe/H]≈0）或稍高。RRLyrae變星則傾向于是金屬貧乏的恒星（[Fe/H]通常<-0.3）。*物理性質(zhì)：它們的物理半徑和核心狀態(tài)也可能不同。Cepheid被認(rèn)為是“經(jīng)典”RRLyrae星（dCep）的演化后期或近親，但dCep的周期通常更長（>0.8天）。*應(yīng)用：Cepheid變星因其高光度且周期與光度高度相關(guān)，是測量宇宙距離的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，可探測到較遠(yuǎn)的星系。RRLyrae變星雖然周期較短，但分布廣泛（球狀星團(tuán)、疏散星團(tuán)），常被用作測量本星系內(nèi)天體距離的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。四、計(jì)算題解析思路：光度變化呈正弦型，意味著相對光度L/L?隨時間t的變化可以表示為L/L?=Acos(ωt+φ)+C，其中A是振幅，ω是角頻率（ω=2π/P），φ是相位角，C是平均值。題目給出最大相對光度L/L?=1.2，平均值C=L?/P*P=L?，所以1.2=A+L?，得A=0.2。當(dāng)相對光度為0.9時，0.9=Acos(ωt+φ)+L?，代入A=0.2和L?，得0.9=0.2cos(ωt+φ)+L?，即0.9-L?=0.2cos(ωt+φ)。因?yàn)榇藭r光度高于平均值，所以cos(ωt+φ)>0，且0.9-L?=0.2*1=0.2。因此，ωt+φ=π/3（或60°）。所求時間間隔為Δt=(π/3-φ)/ω=(π/3-0)/(2π/P)=(π/3)*(P/2π)=P/6。因?yàn)檫@是從光度最高點(diǎn)開始計(jì)算的，所以相位φ=0。最終結(jié)果為P/6。五、論述題解析思路：1.自轉(zhuǎn)與活動：恒星自轉(zhuǎn)越快，內(nèi)部角動量越大?？焖僮赞D(zhuǎn)使得恒星內(nèi)部的磁場更容易被扭曲和維持，并且能夠更有效地將能量和物質(zhì)輸送到表面，從而激發(fā)更強(qiáng)的活動現(xiàn)象。例如，更強(qiáng)的對流活動和更快的等離子體循環(huán)會維持更強(qiáng)的磁場，導(dǎo)致更多的耀斑爆發(fā)、更大的黑子數(shù)量和更強(qiáng)的星周發(fā)射。觀測上，通常發(fā)現(xiàn)自轉(zhuǎn)快的晚型星（如K、M型矮星）活動水平顯著高于自轉(zhuǎn)慢的星。2.自轉(zhuǎn)與演化：自轉(zhuǎn)對恒星演化路徑有顯著影響。*主序階段：自轉(zhuǎn)通過影響能量輸出（如CNO循環(huán)效率）和物質(zhì)輸運(yùn)（如對流混合深度）來影響主序壽命和最終演化產(chǎn)物。例如，快速自轉(zhuǎn)的星更容易發(fā)生混合，可能改變其核燃料的利用方式。*紅巨星階段：主序晚期自轉(zhuǎn)減慢，加上核心質(zhì)量增加，導(dǎo)致紅巨星外層顯著膨脹。膨脹的外層使得對流區(qū)大大擴(kuò)展到內(nèi)部，可能觸發(fā)核心的混合（He閃等）。自轉(zhuǎn)減慢也意味著磁場減弱，紅巨星表面的活動水平通常遠(yuǎn)低于主序階段。*晚期演化：對于中子星和黑洞，形成時的初始自轉(zhuǎn)速度是決定其最終狀態(tài)