2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙射線成因粒子種類考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.在宇宙射線譜中，能量最高端的粒子成分主要是？A.質(zhì)子B.α粒子C.電子/正電子D.重核（如鐵核）2.以下哪種粒子主要通過初級宇宙射線（質(zhì)子、α粒子）與星際介質(zhì)發(fā)生核相互作用而產(chǎn)生？A.π介子B.μ子C.電子D.核碎片3.π介子是由宇宙射線中的哪種粒子與星際物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的？A.質(zhì)子B.α粒子C.電子D.中微子4.活動星系核（AGN）被認為是超高能（>PeV）宇宙射線的最主要候選加速天體，其主要加速的粒子種類最可能是？A.質(zhì)子和α粒子B.π介子及其衰變產(chǎn)物C.電子和正電子D.重核5.宇宙射線譜中觀測到的“膝”結(jié)構(gòu)，通常被解釋為宇宙射線粒子能量達到某個上限，這主要是由于？A.加速源本身能量上限B.宇宙膨脹導(dǎo)致的能量紅移C.粒子與宇宙微波背景輻射相互作用D.粒子與星際磁場相互作用導(dǎo)致的能量損失6.在宇宙射線次級譜中，隨著能量升高，μ子的相對豐度相比電子/正電子會？A.逐漸增加B.逐漸減少C.保持不變D.先增加后減少二、填空題（請將答案填寫在橫線上）7.構(gòu)成初級宇宙射線的主要成分通常是_______、_______和電子（或正電子）。8.π介子衰變的主要產(chǎn)物是_______和中微子（ν）。9.當(dāng)宇宙射線質(zhì)子與星際氣體核發(fā)生相互作用時，除了產(chǎn)生π介子外，還會直接產(chǎn)生_______粒子。10.導(dǎo)致宇宙射線譜出現(xiàn)“膝”結(jié)構(gòu)能量大約在_______eV量級（可填大致數(shù)量級，如10^...）。11.宇宙射線是“次級”粒子，主要是因為它們是在星際介質(zhì)中由_______粒子相互作用產(chǎn)生的。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題）12.簡述區(qū)分初級宇宙射線和次級宇宙射線的依據(jù)是什么？13.解釋為什么高能宇宙射線（如PeV能量）的來源被認為是活動星系核等致密天體，而不是像太陽風(fēng)那樣的稀疏環(huán)境。14.描述π介子在構(gòu)成宇宙射線次級譜中的重要作用及其能量演化過程。15.為什么探測高能宇宙射線需要使用特殊的大尺度探測器（如水切倫科夫望遠鏡、飛秒級閃爍體陣列），而探測低能宇宙射線可以使用更簡單的探測器（如云室、氣泡室）？四、論述題（請結(jié)合所學(xué)知識，對下列問題進行較為詳細的論述）16.比較太陽風(fēng)加速機制和超新星遺跡加速機制在產(chǎn)生的宇宙射線粒子種類、能量范圍、粒子光譜特征以及可能的天文觀測對應(yīng)（如射電、X射線、伽馬射線）方面的主要異同。17.論述宇宙射線作為“天文探針”的作用，并舉例說明如何通過觀測宇宙射線來研究遙遠天體的物理性質(zhì)或宇宙的基本問題（如宇宙的透明度、暗物質(zhì)等）。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.A4.B5.A6.A二、填空題7.質(zhì)子，α粒子8.μ子9.核碎片10.10^19(或10^18-10^20)11.初級三、簡答題12.依據(jù)在于成分分析：次級粒子（如π介子及其衰變產(chǎn)物μ子、電子等）的豐度隨能量升高而變化，且與初級粒子（質(zhì)子、α粒子）的比例不同；能量譜特征上，次級粒子譜通常在某個能量處出現(xiàn)“膝”結(jié)構(gòu)或截止，這與初級粒子譜的平滑上升不同；物理來源上，次級粒子是初級粒子在星際介質(zhì)中相互作用產(chǎn)生的。13.主要原因在于加速機制的能量上限和粒子密度。稀疏環(huán)境（如太陽風(fēng)）難以提供足夠強的磁場和足夠的粒子密度來加速質(zhì)子到超高能量（PeV量級）。而致密、劇烈活動的環(huán)境，如超新星遺跡（具有強磁場和密集的加速粒子）或活動星系核（具有極強磁場和致密核噴流），能夠提供更高的加速能量和更強的加速效率，從而將質(zhì)子加速到最高能量。14.重要作用：π介子是由初級宇宙射線粒子（質(zhì)子或α粒子）與星際核物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的次級粒子。π介子壽命極短（約10^-8秒），衰變?yōu)橐粋€μ子和一個中微子（π?衰變?yōu)閮蓚€γ子和兩個中微子，但γ子很快湮滅）。因此，μ子成為了高能宇宙射線中一個非常重要的、長壽命的次級成分，其豐度隨能量升高而增加。通過探測μ子，可以追溯其上游的初級粒子成分和加速源信息。能量演化過程：π介子在產(chǎn)生后，會進一步與星際介質(zhì)相互作用（如核散射、π介子自身的衰變），導(dǎo)致其能量逐漸降低，豐度也相應(yīng)變化，最終形成觀測到的次級宇宙射線譜。15.高能宇宙射線（如PeV能量）穿透能力強，在到達探測器前與大氣相互作用很少，但能量損失仍不可避免（主要是通過空氣簇射產(chǎn)生的光子被大氣吸收）。因此，需要大尺度的探測器來收集足夠的光子數(shù)量，并區(qū)分來自宇宙射線的簇射與背景輻射。例如，水切倫科夫望遠鏡通過探測宇宙射線產(chǎn)生的空氣簇射在水面產(chǎn)生的閃光，飛秒級閃爍體陣列通過探測空氣簇射產(chǎn)生的Cherenkov光子。而低能宇宙射線與大氣相互作用頻繁，會產(chǎn)生顯著的次級粒子shower，能量損失大，且shower結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但信號強度相對較高，可以使用體積較小的探測器（如云室記錄粒子軌跡，氣泡室記錄粒子引發(fā)的氣泡鏈）來有效探測。四、論述題16.相同點：兩者都是宇宙射線的主要加速機制，都能將質(zhì)子加速到MeV至GeV的能量范圍，并進一步通過級聯(lián)效應(yīng)或次級粒子衰變產(chǎn)生更高能量的宇宙射線；都發(fā)生在宇宙中的劇烈天體物理過程中，涉及強磁場和相對論性帶電粒子。不同點：加速環(huán)境密度與性質(zhì)：太陽風(fēng)是稀疏的等離子體，主要加速太陽風(fēng)離子和電子，加速機制可能與磁重聯(lián)等有關(guān)；超新星遺跡是致密的膨脹氣體，加速機制與激波加速密切相關(guān)。主要加速粒子：太陽風(fēng)主要加速質(zhì)子和電子，超新星遺跡主要加速質(zhì)子。產(chǎn)生的宇宙射線粒子種類：太陽風(fēng)產(chǎn)生的初級宇宙射線主要是質(zhì)子和電子，超新星遺跡產(chǎn)生的初級宇宙射線主要是質(zhì)子，且能產(chǎn)生更多的高能質(zhì)子和π介子。能量范圍：超新星遺跡通常能加速到更高能量，達到PeV量級，而太陽風(fēng)主要產(chǎn)生低能宇宙射線（<1PeV）。宇宙射線譜特征：超新星遺跡產(chǎn)生的宇宙射線譜在高能端通常更硬，且可能存在“膝”結(jié)構(gòu)；太陽風(fēng)產(chǎn)生的宇宙射線譜相對softer。天文觀測對應(yīng)：太陽風(fēng)宇宙射線主要在日球?qū)觾?nèi)觀測，與太陽活動相關(guān)；超新星遺跡宇宙射線具有較長的傳播時間，其電磁輻射（射電、X射線）和伽馬射線信號可以指向其對應(yīng)的天體（如蟹狀星云），幫助識別加速源。17.宇宙射線是來自宇宙深處的高能粒子流，它們幾乎可以穿透任何障礙物，因此可以“看到”那些伽馬射線望遠鏡無法穿透的致密天體，如活性星系核（AGN）的中心黑洞、中子星、脈沖星、超新星遺跡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及可能存在的暗物質(zhì)暈。通過觀測宇宙射線的方向分布（天線圖），可以確定這些隱藏天體的位置；通過觀測宇宙射線的能量譜，可以推斷加速天體的能量輸出和加速機制的效率；通過觀測特定能量或種類的宇宙射線（如π介子），可以研究特定天體（如AGN）的粒子加速過程和輻射機制；通過測量超高能宇宙射線與