2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星系團內(nèi)的熱氣體分布特性考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內(nèi)）1.在星系團中，占主導地位的、溫度極高的致密氣體被稱為：(A)暗物質(zhì)(B)冷氫云(C)熱致密氣體(D)恒星2.探測星系團內(nèi)部熱氣體（ICM）最主要、最直接的手段是：(A)紅外觀測(B)可見光觀測(C)X射線觀測(D)射電觀測3.星系團內(nèi)部熱氣體（ICM）的典型溫度范圍大約是：(A)10^3K(B)10^4K(C)10^6K(D)10^7K-10^8K4.導致星系團內(nèi)部熱氣體溫度升高的主要物理過程之一是：(A)恒星形成(B)星系碰撞與合并(C)恒星風(D)宇宙膨脹5.熱氣體在星系團內(nèi)的分布通常呈現(xiàn)的特點是：(A)均勻分布(B)集中在星系團中心形成一個致密核心(C)主要分布在星系團邊緣(D)與星系分布完全一致6.下列哪個物理量是描述星系團內(nèi)熱氣體密度的常用指標？(A)恒星質(zhì)量密度(B)暗物質(zhì)質(zhì)量密度(C)重子物質(zhì)質(zhì)量密度(D)光子密度7.活動星系核（AGN）反饋機制對星系團內(nèi)部熱氣體分布的主要影響是：(A)促進氣體冷卻和沉降(B)排驅(qū)氣體，阻止星系形成(C)提供能量，維持氣體高溫(D)改變星系團的整體旋轉(zhuǎn)方向8.通過分析X射線譜線發(fā)射線的紅移，可以推斷出：(A)熱氣體的金屬豐度(B)熱氣體的溫度(C)熱氣體的密度(D)觀測儀器的工作狀態(tài)9.所謂的“星系團冷卻流”現(xiàn)象是指：(A)星系團內(nèi)部熱氣體向外膨脹(B)星系團外部氣體向內(nèi)部流入(C)星系團內(nèi)部熱氣體冷卻并沉降向中心流動(D)星系團內(nèi)星系隨機運動加劇10.星系團中心通常存在的致密、低溫氣體區(qū)域被稱為：(A)熱核心(B)冷核心(C)溫核(D)星系團Bulge二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.星系團內(nèi)部熱氣體（ICM）主要由______和______組成。2.X射線望遠鏡探測ICM主要利用了熱氣體與高能光子發(fā)生______相互作用的原理。3.熱氣體的壓力主要來源于氣體分子的______和______。4.根據(jù)當前主流理論，星系團內(nèi)部熱氣體主要通過______和______過程形成。5.除了X射線，還可以通過觀測______輻射來探測星系團內(nèi)部可能存在的冷卻氣體。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述星系團內(nèi)部熱氣體（ICM）的主要物理性質(zhì)。2.簡要說明星系合并如何在星系團形成過程中影響內(nèi)部熱氣體的分布和溫度。3.解釋什么是星系風，并簡述其對星系團內(nèi)部熱氣體的影響。4.簡述利用X射線觀測分析星系團內(nèi)部熱氣體溫度的基本方法。四、計算題（共10分）假設觀測到一個星系團中心區(qū)域的熱氣體發(fā)出X射線光子，測得該發(fā)射線的特征溫度對應的峰值能量對應的波長約為0.1nm（即能量約為12keV）。請根據(jù)普朗克定律和維恩位移定律，估算該區(qū)域熱氣體的電子溫度。已知普朗克常數(shù)h≈6.626×10^-34J·s，光速c≈3.0×10^8m/s，玻爾茲曼常數(shù)k_B≈1.38×10^-23J/K。五、論述題（共30分）討論星系團內(nèi)部熱氣體（ICM）的觀測證據(jù)（例如來自X射線天文臺的觀測結(jié)果）如何支持或限制當前的星系團形成和演化理論（特別是涉及引力沉降和反饋機制的模型）。在論述中，請?zhí)峒爸辽賰煞N不同的觀測現(xiàn)象或數(shù)據(jù)類型，并說明它們分別對理論提出了怎樣的要求或挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.B5.B6.B7.C8.B9.C10.B二、填空題1.氫硫2.康普頓散射3.熱運動勢能4.引力沉降星系反饋5.遠紅外三、簡答題1.答案要點：ICM主要由氫和氦組成，溫度極高（約10^7K），密度很低但總量巨大（總質(zhì)量占星系團總質(zhì)量的比例不大，但重子物質(zhì)的主要部分），壓力主要由高溫氣體熱運動產(chǎn)生，主要存在于星系團引力勢阱內(nèi)。解析思路：考察對ICM基本物理參數(shù)和組成的掌握。需要知道其主要化學成分（豐度接近宇宙大爆炸比）、典型溫度、密度特點（稀疏但巨大）、壓力來源（熱壓力）以及其在星系團結(jié)構(gòu)中的位置（引力束縛）。2.答案要點：星系合并過程中，星系間的引力相互作用加速氣體，使其向星系團中心沖擊；合并產(chǎn)生的巨大沖擊波加熱氣體，提高其溫度；合并釋放的引力勢能轉(zhuǎn)化為氣體的熱能。解析思路：考察對星系合并作用的理解。關(guān)鍵在于認識到合并不僅是引力過程，也劇烈影響著氣體，主要通過引力加速和沖擊波加熱兩種機制改變氣體的動能和溫度，導致中心氣體變得致密和高溫。3.答案要點：星系風是來自星系盤或核區(qū)的恒星風以及超新星爆發(fā)、活動星系核噴流等過程驅(qū)動的、高速（數(shù)百至數(shù)千km/s）的氣體流出星系。它可以將星系中的重元素注入星系團環(huán)境，對中心區(qū)域的熱氣體進行加熱和排驅(qū)，影響冷卻流的形成。解析思路：考察對星系風概念及其影響的掌握。需要說明其來源（恒星、AGN等）、速度特點，并重點闡述其對ICM的影響，即加熱（特別是中心區(qū)域）和排驅(qū)（阻止冷卻流）。4.答案要點：通過觀測ICM發(fā)射的X射線譜線（主要是重元素的發(fā)射線，如FeXVIII,FeXXVII,SiXII等）的強度和寬度。譜線強度與電子密度和溫度有關(guān)，通過擬合譜線模型（如APEC模型）可以反演出電子溫度。峰值能量對應的波長可以通過維恩位移定律與溫度關(guān)聯(lián)，從而估算溫度。解析思路：考察利用X射線光譜測溫度的基本原理。關(guān)鍵在于知道ICM的X射線發(fā)射主要來自重元素離子，測溫度主要看發(fā)射線，并通過譜線擬合或峰值波長位移來進行。四、計算題解：方法一：利用維恩位移定律λ_peakT=b，其中b為維恩常數(shù)（約2.898×10^-3m·K）。T=b/λ_peak=(2.898×10^-3m·K)/(0.1×10^-9m)≈2.9×10^7K方法二：光子能量E=hc/λ。對于12keV的光子，E=12×10^3eV×(1.602×10^-19J/eV)≈1.9×10^-15J。利用E=k_BT(近似于E=hν=hc/λ)，T=E/k_B。T=(1.9×10^-15J)/(1.38×10^-23J/K)≈1.4×10^8K（注意：計算結(jié)果因采用近似值和不同譜線峰值能量可能略有差異，維恩位移定律計算更為直接對應峰值波長）五、論述題答案要點：觀測證據(jù)對理論的支持與限制體現(xiàn)在多個方面。首先，X射線觀測顯示大部分星系團中心存在高溫（~10^7K）致密氣體，這與引力沉降模型預測的氣體在引力作用下向中心聚集形成高密度區(qū)相符，支持了引力作為形成核心氣體的主要驅(qū)動力。其次，觀測到許多星系團中心存在“冷核心”（溫度~10^4-10^5K，密度高），這難以用單純的引力沉降解釋，為AGN反饋模型提供了重要支持，因為AGN噴流或星系風可以將高溫氣體從中心吹出，形成低溫致密殘留。再者，觀測到的“冷卻流”現(xiàn)象，即低溫氣體從星系團邊緣向中心緩慢流動，表明氣體確實在冷卻并沉降，但冷卻流的速度和規(guī)模受控于反饋過程，例如來自中心AGN的加熱，這限制了引力沉降的效率。此外，星系團內(nèi)部X射線溫度的分布和金屬豐度的演化也受到反饋機制的影響，觀測數(shù)據(jù)要求理論模型能夠解釋這些觀測趨勢。例如，觀測表明溫度普遍偏高且中心溫度高于邊緣，這與反饋加熱效應一致?？傊?，ICM的觀測為我們檢驗和修正星系團形成與演化理論提供了關(guān)鍵約束，表明單純的引力沉降不足以完全解釋觀測現(xiàn)象，需要引入反饋機制來解釋觀測到的許多關(guān)鍵特征，如中心冷核心、冷卻流以及溫度分布等。解析思路：此題要求綜合運用知識進行論述。首先需明確ICM的