2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際宇宙塵埃的結(jié)構(gòu)與形態(tài)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.簡述星際宇宙塵埃的主要化學(xué)成分及其來源。2.解釋什么是星際塵埃的輻射和散射，并說明它們在觀測中的作用。3.描述星塵形成的主要機制，并舉例說明不同類型的恒星死亡過程如何產(chǎn)生宇宙塵埃。4.解釋米氏散射效應(yīng)，并說明其對星際介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的影響。5.比較紅外天文學(xué)和微波天文學(xué)在觀測星際宇宙塵埃方面的原理、優(yōu)缺點以及主要應(yīng)用。二、論述題1.詳細論述星際宇宙塵埃顆粒的尺寸分布及其對星際介質(zhì)性質(zhì)的影響。2.分析宇宙塵埃的吸積和蒸發(fā)過程，并說明這些過程對星際云中氣體和潛在恒星形成的影響。3.選擇一個特定的宇宙塵埃區(qū)域（例如反射星云、發(fā)射星云或暗星云），分析其結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，并解釋其形成機制。4.討論宇宙塵埃在星際化學(xué)演化中的重要作用，例如如何影響分子形成和恒星初生環(huán)境的化學(xué)成分。5.闡述當(dāng)前研究星際宇宙塵埃面臨的主要挑戰(zhàn)，并展望未來可能的發(fā)展方向和技術(shù)突破。試卷答案一、簡答題1.答案：星際宇宙塵埃的主要化學(xué)成分包括碳（以石墨和金剛石形式存在）、硅酸鹽（類似火山玻璃）、氧化鐵等金屬氧化物，以及少量硫、氮等元素形成的化合物。其主要來源包括：恒星內(nèi)部核合成產(chǎn)生的元素在恒星死亡時拋灑到星際空間；超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波將恒星外層物質(zhì)壓縮、加熱，形成新的塵埃顆粒；恒星風(fēng)和行星狀星云中的物質(zhì)也貢獻了部分塵埃。解析思路：考察對塵?；窘M成元素和來源的掌握。需回答主要元素種類（碳、硅酸鹽、金屬氧化物等）以及主要的形成途徑（恒星死亡、超新星爆發(fā)、恒星風(fēng)等）。2.答案：輻射是指宇宙塵埃顆粒吸收外部輻射（主要是恒星紫外輻射和可見光）后，以紅外輻射的形式重新發(fā)射能量。散射是指宇宙塵埃顆粒改變?nèi)肷漭椛涞膫鞑シ较颉Ｔ谟^測中，輻射使得我們能夠探測到溫度相對較低的塵埃云，散射則會影響星光的顏色（紅化現(xiàn)象）并使得某些區(qū)域難以觀測。解析思路：考察對塵埃兩大主要光學(xué)過程（輻射和散射）的定義及其觀測意義的理解。需要分別解釋兩個過程，并說明它們?nèi)绾斡绊懱煳挠^測。3.答案：星塵形成的主要機制是星際氣體和塵埃顆粒在恒星生命末期或死亡過程中被拋灑到星際空間。具體包括：紅巨星和超巨星通過恒星風(fēng)將物質(zhì)逐出；超新星爆發(fā)將大量合成重元素的外層物質(zhì)猛烈拋向空間；行星狀星云是低質(zhì)量恒星在演化為白矮星時，拋出的富含重元素的物質(zhì)殼層。這些過程形成了不同成分和尺寸的宇宙塵埃顆粒。解析思路：考察對星塵形成機制的理解，特別是與恒星演化不同階段相關(guān)的拋灑過程。需明確主要形成途徑（恒星風(fēng)、超新星、行星狀星云）及其與恒星類型的關(guān)系。4.答案：米氏散射效應(yīng)是指當(dāng)光照射到尺寸與光波波長相當(dāng)?shù)奈⒘＃ㄈ缧请H塵埃顆粒）時，光主要被散射，而不是被吸收。散射效率與顆粒尺寸、形狀以及入射光波長密切相關(guān)。在星際介質(zhì)中，米氏散射導(dǎo)致來自背景恒星的光被塵埃云強烈散射，使得云體內(nèi)部變得不透明，同時使云體邊緣和后方呈現(xiàn)出藍色（短波散射更強）。解析思路：考察對米氏散射基本原理及其在星際介質(zhì)中表現(xiàn)的理解。需要解釋散射條件（尺寸與波長相當(dāng)）、散射特性（主要散射）以及具體天文現(xiàn)象（云體不透明、藍邊緣）。5.答案：紅外天文學(xué)利用宇宙塵埃在紅外波段的發(fā)射或散射信號進行觀測。塵埃在星際介質(zhì)中普遍存在，且溫度相對較低（約幾到幾十K），主要在紅外波段輻射熱量。微波天文學(xué)利用宇宙塵埃在微波波段的發(fā)射譜線（如21厘米氫譜線伴生的微波發(fā)射）或熱輻射進行觀測。紅外觀測主要用于探測塵埃分布和溫度，而微波觀測常用于探測冷暗云和不透明的塵埃區(qū)域，并研究分子形成。兩種方法各有優(yōu)劣，紅外穿透力相對較弱但探測范圍廣，微波能穿透暗云但觀測窗口有限。它們共同提供了研究宇宙塵埃的重要手段。解析思路：考察對兩種主要觀測手段的原理、優(yōu)缺點和應(yīng)用的比較。需分別說明紅外和微波的觀測基礎(chǔ)、主要探測內(nèi)容、相對優(yōu)劣及協(xié)同作用。二、論述題1.答案：星際宇宙塵埃顆粒的尺寸分布廣泛，通常從微米級到亞微米級。這個分布對星際介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)有決定性影響。不同尺寸的塵埃顆粒對光的散射和吸收特性不同：小顆粒主要引起米氏散射，使介質(zhì)呈現(xiàn)紅光；大顆粒（接近厘米級）主要引起幾何光學(xué)散射，導(dǎo)致介質(zhì)不透明。塵埃尺寸分布還影響星際氣體的冷卻效率（小顆粒比大顆粒冷卻效率高），進而影響云的穩(wěn)定性和恒星形成的速率。例如，在分子云中，塵埃的冷卻作用使氣體溫度降低，足以讓氫分子形成并穩(wěn)定存在。解析思路：考察對塵埃尺寸分布及其多重影響的深入理解。需闡述尺寸分布的范圍，重點論述其對光學(xué)性質(zhì)（紅化、不透明度）、氣體冷卻效率以及恒星形成過程的具體影響和機制。2.答案：宇宙塵埃的吸積是指塵埃顆粒從氣體中捕獲氣體分子或離子，增長其質(zhì)量的過程。主要機制包括電荷交換和范德華力。吸積過程可以改變塵埃顆粒的化學(xué)成分和物理性質(zhì)，例如捕獲水冰。當(dāng)塵埃顆粒吸積到足夠大的質(zhì)量時，可以引力凝聚氣體，形成原恒星。另一方面，宇宙塵埃的蒸發(fā)主要發(fā)生在高溫區(qū)域，例如恒星形成區(qū)的中心或鄰近HII區(qū)。強烈的恒星紫外輻射可以打破塵埃表面的化學(xué)鍵，使吸附的分子解離，或直接加熱塵埃顆粒本身，導(dǎo)致其蒸發(fā)或解體。吸積和蒸發(fā)是相互競爭的過程，它們共同決定了塵埃顆粒在星際介質(zhì)中的豐度、尺寸分布和空間分布，并深刻影響恒星形成區(qū)的物理化學(xué)環(huán)境。解析思路：考察對塵埃吸積和蒸發(fā)兩種對立過程的機制、影響因素及其對恒星形成環(huán)境影響的理解。需分別解釋吸積（機制、效果）和蒸發(fā)（機制、影響因素、效果），并論述兩者間的相互作用及其后果。3.答案：以反射星云M57（貓眼星云）為例。其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，中心是一個快速旋轉(zhuǎn)的白矮星，周圍環(huán)繞著由塵埃組成的薄盤。塵埃盤的形態(tài)特征包括：盤面相對較薄，邊緣有明顯的光暈，并呈現(xiàn)出精細的螺旋結(jié)構(gòu)。其形成機制與中心白矮星的活動有關(guān)。白矮星強大的磁場和快速的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致了星風(fēng)，星風(fēng)與外流物質(zhì)相互作用，將物質(zhì)約束在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，并形成塵埃盤。塵埃盤內(nèi)部的引力不穩(wěn)定性以及中心星的磁場和輻射壓力共同作用，形成了螺旋結(jié)構(gòu)。M57的塵埃盤通過反射中心白矮星的光而發(fā)光，其光譜呈現(xiàn)強烈的紅化特征，這是塵埃顆粒散射星光的結(jié)果。解析思路：考察對特定宇宙塵埃區(qū)域?qū)嵗姆治瞿芰?。需選擇一個具體天體（如M57），描述其結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征，并重點解釋其形成機制，將觀測到的現(xiàn)象與物理過程聯(lián)系起來。4.答案：宇宙塵埃在星際化學(xué)演化中扮演著至關(guān)重要的角色。首先，塵埃顆粒表面提供了分子形成的理想場所，其巨大的比表面積和相對低溫（與氣體相比）使得氣體分子能夠在其表面穩(wěn)定存在并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成復(fù)雜的有機分子（如氨基酸、類胡蘿卜素等）。這個過程被稱為表面化學(xué)或凍干化學(xué)。其次，塵埃顆粒通過吸積和散射過程，有效地混合星際介質(zhì)中的化學(xué)物質(zhì)，并影響氣體的冷卻和加熱。塵埃的存在改變了氣體相的化學(xué)環(huán)境，使得分子云成為孕育生命前物質(zhì)的重要場所。此外，塵埃顆粒還構(gòu)成了行星的原始物質(zhì)，是行星形成的基礎(chǔ)。解析思路：考察對塵埃在星際化學(xué)演化中多方面作用的綜合理解。需從分子形成場所（表面化學(xué)）、化學(xué)物質(zhì)混合、氣體熱力學(xué)以及行星形成起源等多個角度闡述塵埃的重要性。5.答案：當(dāng)前研究星際宇宙塵埃面臨的主要挑戰(zhàn)包括：探測不透明星云中心隱藏的年輕恒星和原行星盤；區(qū)分塵埃與某些行星狀星云中的類似塵埃的物質(zhì)；精確測量塵埃的化學(xué)成分和空間分布，特別是微米級以下的小顆粒；理解塵埃在恒星形成早期階段的物理化學(xué)過程及其對行星形成的影響；發(fā)展更精確的理論模型來解釋復(fù)雜的觀測現(xiàn)象，如極星塵、超快自轉(zhuǎn)恒星周圍的塵埃等。未來可能的發(fā)展方向包括：利用空間望遠鏡（如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡）在紅外和微波波段獲得更高分辨率和更靈敏的觀測數(shù)據(jù)；開發(fā)新的探測技術(shù)，如太赫茲波段的觀測；結(jié)合多波段觀測數(shù)據(jù)，更全面