2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間的宇宙射線分布考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是宇宙射線的主要來(lái)源？(A)超新星爆發(fā)遺跡(B)活躍星系核（AGN）(C)脈沖星(D)宇宙大爆炸初始?xì)埩?.宇宙射線與星際介質(zhì)相互作用主要導(dǎo)致的能量損失機(jī)制是？(A)同步輻射(B)熱電離(C)軔致輻射(D)宇宙膨脹減速3.在宇宙射線的傳播理論中，擴(kuò)散張量描述了？(A)能量隨時(shí)間的損失率(B)宇宙射線在磁場(chǎng)中傳播的各向異性(C)加速機(jī)制的效率(D)星際介質(zhì)的密度分布4.與普通粒子相比，宇宙射線的主要特點(diǎn)是？(A)質(zhì)量較小，速度接近光速(B)電離能力較弱，穿透性差(C)能量極高，電離能力強(qiáng)，穿透性強(qiáng)(D)主要存在于固態(tài)星際介質(zhì)中5.宇宙射線探測(cè)器通常無(wú)法直接在太空中近距離測(cè)量其來(lái)源，最主要的原因是？(A)探測(cè)器技術(shù)不夠先進(jìn)(B)宇宙射線來(lái)源過(guò)于遙遠(yuǎn)，信號(hào)微弱(C)宇宙射線在到達(dá)探測(cè)器前已發(fā)生散射和能量損失，失去來(lái)源信息(D)星際磁場(chǎng)會(huì)屏蔽宇宙射線的探測(cè)6.觀測(cè)到蟹狀星云中心存在高能宇宙射線，其主要證據(jù)是？(A)星云內(nèi)部溫度異常高(B)星云發(fā)射了特定的同步輻射譜(C)星云內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了脈沖星(D)星云光譜顯示強(qiáng)烈的電離吸收線7.宇宙射線在星際磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡通常是？(A)平直的直線(B)受磁場(chǎng)束縛的螺旋線或回旋線(C)隨機(jī)無(wú)規(guī)的運(yùn)動(dòng)(D)沿磁力線做直線運(yùn)動(dòng)8.如果觀測(cè)到銀河系中心區(qū)域的宇宙射線電子比質(zhì)子更豐富，這可能暗示？(A)該區(qū)域宇宙射線主要由電子產(chǎn)生(B)在傳播過(guò)程中，質(zhì)子由于某種能量損失機(jī)制比電子衰減更快(C)該區(qū)域星際磁場(chǎng)方向與通常情況相反(D)該區(qū)域存在大量反物質(zhì)9.所謂的“宇宙射線包絡(luò)”是指？(A)超新星爆發(fā)時(shí)拋出的致密物質(zhì)殼層(B)宇宙射線在銀河系中擴(kuò)散形成的具有一定邊界的區(qū)域(C)包裹恒星的局部星際磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)(D)宇宙射線與星際氣體碰撞形成的激波前沿10.利用宇宙射線研究星際磁場(chǎng)時(shí)，可以利用宇宙射線的哪種性質(zhì)？(A)能量損失譜(B)到達(dá)方向的空間分布（各向異性）(C)種類比例(D)速度分布函數(shù)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題干橫線上）1.宇宙射線主要由質(zhì)子、α粒子（氦核）和更重的原子核組成，此外還有大量的______和______。2.宇宙射線在傳播過(guò)程中，由于與星際氣體相互作用而損失能量，這種現(xiàn)象稱為_(kāi)_____損失。3.加速到接近光速的宇宙射線粒子，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生______輻射，這是其能量損失的重要機(jī)制之一。4.描述宇宙射線在磁場(chǎng)中傳播擴(kuò)散的理論稱為_(kāi)_____理論，它預(yù)言宇宙射線到達(dá)地球的分布具有徑向依賴性。5.宇宙射線探測(cè)器分為地面簇射探測(cè)器和空間探測(cè)器，前者主要利用大氣層對(duì)宇宙射線的______效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)。6.脈沖星被認(rèn)為是宇宙中極其強(qiáng)大的宇宙射線加速器之一，其高能粒子束的指向與脈沖星的自轉(zhuǎn)軸和______之間存在固定關(guān)系。7.宇宙射線的能量通常用電子伏特（eV）或其百萬(wàn)倍兆電子伏特（PeV）來(lái)表示，1PeV=______eV。8.宇宙射線與星際磁場(chǎng)相互作用導(dǎo)致宇宙射線到達(dá)地球時(shí)具有各向異性，這種各向異性主要反映了______的不均勻性。9.除了宇宙射線，宇宙中還存在另一種來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子流，稱為_(kāi)_____。10.通過(guò)分析不同能量宇宙射線的分布特征，可以反推產(chǎn)生它們的______及其附近的星際環(huán)境。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述同步輻射輻射的物理機(jī)制及其對(duì)宇宙射線研究的意義。2.解釋什么是宇宙射線的“擴(kuò)散”，并簡(jiǎn)述擴(kuò)散過(guò)程中宇宙射線能量會(huì)發(fā)生怎樣的變化。3.列舉至少三種主要的宇宙射線加速機(jī)制，并簡(jiǎn)述其基本原理。4.為什么說(shuō)宇宙射線是研究星際介質(zhì)物理性質(zhì)（如密度、溫度、磁場(chǎng)）的有力工具？四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)宇宙射線質(zhì)子在擴(kuò)散過(guò)程中主要受到同步輻射的能量損失。已知銀河系磁場(chǎng)強(qiáng)度B≈5μG（微高斯），宇宙射線質(zhì)子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能量損失率（同步輻射功率）可以近似表示為dE/dt≈-E2/(4πm?c3B)，其中E是質(zhì)子能量（單位焦耳），m?是質(zhì)子靜止質(zhì)量，c是光速。假設(shè)一個(gè)質(zhì)子初始能量E?=1PeV(1PeV=1×101?eV，1eV=1.6×10?1?J)，試計(jì)算：1.該質(zhì)子因同步輻射損失掉其初始能量的10%所需的時(shí)間t（結(jié)果以年為單位，可近似取光速c≈3×10?m/s，質(zhì)子靜止質(zhì)量m?≈1.67×10?2?kg）。2.在此過(guò)程中，質(zhì)子的能量減小了多少？（提示：此過(guò)程并非簡(jiǎn)單的指數(shù)衰減，但可以近似計(jì)算損失的能量比例）五、論述題（共25分）論述觀測(cè)宇宙射線如何幫助我們理解超新星遺跡（如蟹狀星云）的物理性質(zhì)。請(qǐng)從宇宙射線的起源、加速、傳播以及與遺跡內(nèi)部介質(zhì)（如電子密度、磁場(chǎng)、溫度）的相互作用等方面進(jìn)行闡述，并說(shuō)明這些相互作用如何揭示遺跡的演化歷史和基本參數(shù)。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.C5.C6.B7.B8.B9.B10.B二、填空題1.中微子，正電子2.電離3.同步4.球面擴(kuò)散5.聚變6.磁軸7.101?8.星際磁場(chǎng)9.太陽(yáng)風(fēng)10.源區(qū)三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先說(shuō)明同步輻射是帶電粒子（如宇宙射線電子）在磁場(chǎng)中做回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，向其運(yùn)動(dòng)方向的反方向輻射電磁波的過(guò)程。然后解釋其功率與粒子能量、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及粒子速度有關(guān)。最后說(shuō)明其意義：不同能量范圍的宇宙射線產(chǎn)生的同步輻射具有不同的頻譜特征，通過(guò)觀測(cè)同步輻射可以推斷宇宙射線的能量譜，以及產(chǎn)生同步輻射的磁場(chǎng)強(qiáng)度和環(huán)境的性質(zhì)。2.解析思路：首先解釋擴(kuò)散是指高能宇宙射線由于與星際介質(zhì)或磁場(chǎng)不規(guī)則性的隨機(jī)散射，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向和能量發(fā)生隨機(jī)變化，最終向更大空間范圍傳播的過(guò)程。然后說(shuō)明擴(kuò)散過(guò)程中，宇宙射線會(huì)不斷與物質(zhì)或磁場(chǎng)相互作用，發(fā)生各種能量損失（如電離損失、同步輻射損失、逆康普頓散射損失等），導(dǎo)致其能量逐漸降低。擴(kuò)散本身也是一種能量損失機(jī)制。3.解析思路：列舉至少三種：超新星遺跡激波加速（解釋為SNR內(nèi)部的快前波或殼層激波加速粒子）、激波加速（如磁星或年輕脈沖星附近的高速噴流/風(fēng)加速）、中心補(bǔ)償源（如分子云中的HII區(qū)或年輕星團(tuán)，解釋為伴星風(fēng)或紫外輻射電離/加熱氣體產(chǎn)生的電場(chǎng)或磁場(chǎng)變化加速粒子）。對(duì)每種機(jī)制簡(jiǎn)要說(shuō)明其原理（如波粒子共振加速、電場(chǎng)加速等）。4.解析思路：說(shuō)明宇宙射線是高能帶電粒子，其傳播和能量損失行為對(duì)星際磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度非常敏感。通過(guò)測(cè)量宇宙射線的能量譜、各向異性（方向分布）、到達(dá)角分布等，可以反推出產(chǎn)生它們的源區(qū)的性質(zhì)以及它們?cè)趥鞑ネ局兴┻^(guò)的星際介質(zhì)的密度、溫度和磁場(chǎng)分布。例如，特定能量損失特征可以定標(biāo)介質(zhì)密度，各向異性可以揭示磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。四、計(jì)算題1.解析思路：首先將所有已知量統(tǒng)一到國(guó)際單位制（SI），包括能量E?(1PeV=1×101?eV×1.6×10?1?J/eV=1.6×10?2J)，質(zhì)子靜止質(zhì)量m?(1.67×10?2?kg)，光速c(3×10?m/s)，磁場(chǎng)B(5μG=5×10??T)。將dE/dt=-E2/(4πm?c3B)改寫(xiě)為dE/E2=-4πm?c3Bdt。對(duì)兩邊積分∫(E?toE?*0.9)dE/E2=∫(0tot)-4πm?c3Bdt。計(jì)算左側(cè)積分得到(1/E?*0.9-1/E?)=(1-10/9)/E?=-1/9E?。計(jì)算右側(cè)積分得到-4πm?c3Bt。令兩者相等，解出t=9E?/(4πm?c3B)。代入數(shù)值計(jì)算t≈9×1.6×10?2/(4×π×1.67×10?2?×(3×10?)3×5×10??)秒。將秒轉(zhuǎn)換為年（1年≈3.15×10?秒），得到最終結(jié)果（約1.1×101?年）。2.解析思路：根據(jù)上一問(wèn)計(jì)算的能量損失率公式dE/dt=-E2/(4πm?c3B)，能量從E?減少到E?*0.9。能量損失的總量ΔE=E?-E?*0.9=0.1E?。代入E?=1PeV=1.6×10?2J，計(jì)算ΔE=0.1×1.6×10?2J=1.6×10?3J。將能量損失ΔE轉(zhuǎn)換為電子伏特（ΔE=1.6×10?3J/1.6×10?1?J/eV=1011eV=100PeV），或表示為其占初始能量的比例（10%）。（注意：此處的近似計(jì)算假設(shè)損失率恒定，實(shí)際損失率隨能量變化，因此ΔE/E?≈10%是一個(gè)近似值）。五、論述題解析思路：1.起源與加速：論述蟹狀星云是公元1054年超新星爆發(fā)的遺骸。超新星爆發(fā)產(chǎn)生了大量的高能粒子（主要是質(zhì)子和α粒子，即宇宙射線），這些粒子被SNR內(nèi)部的激波（快前波和殼層激波）急劇加速到接近光速的能量（從MeV到PeV）。這是蟹狀星云成為強(qiáng)大宇宙射線源的基礎(chǔ)。2.傳播與能量損失：論述被加速的宇宙射線在擴(kuò)散到整個(gè)星云的過(guò)程中，會(huì)與星云內(nèi)部的電子、離子和磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，主要損失能量。同步輻射是重要機(jī)制，使得高能宇宙射線（尤其是電子）在磁場(chǎng)中損失能量，并將能量沉積給磁場(chǎng)，形成我們觀測(cè)到的同步輻射輻射。電離損失也持續(xù)消耗質(zhì)子能量。這些能量損失過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程共同塑造了我們觀測(cè)到的蟹狀星云宇宙射線的能量譜和分布。3.與介質(zhì)相互作用揭示性質(zhì)：*能量譜：觀測(cè)到蟹狀星云具有非常硬的宇宙射線能量譜（高能端延伸至數(shù)PeV），結(jié)合能量損失模型，可以反推星云內(nèi)部的電子密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。同步輻射輻射的頻譜和強(qiáng)度與宇宙射線電子的能量譜和磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)。*各向異性/分布：宇宙射線到達(dá)地球的各向異性反映了源區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和宇宙射線源本身（SNR激波）的朝向。蟹狀星云的宇宙射線各向異性模式與星云內(nèi)部磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)（如徑向和切向分量）以及激波的形狀和速度有關(guān)。*同步輻射/X射線：蟹狀星云內(nèi)部彌漫著由高能電子產(chǎn)生的強(qiáng)同步輻射輻射，形成了致密的輻射云。同步輻射還會(huì)逆康普頓散射伽馬射線，并產(chǎn)生熱輻射，加熱周圍的星際介質(zhì)，導(dǎo)致星云內(nèi)部存在高溫電離氣體。觀測(cè)同步輻射、X射線（熱氣體和同步輻射逆康普頓散射）以及伽馬射線（同步輻射逆康普頓散射和π?衰變）的多波段信息，可以聯(lián)合反推星云的電子密度