2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——銀河系中的旋臂運動速度分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.在利用天琴座RR型變星測量銀河系旋臂速度時，主要利用了該類變星的什么性質(zhì)？A.光譜類型多樣B.周期與視向速度成正比C.距離遙遠但視直徑較小D.在不同旋臂中有不同的化學(xué)成分2.根據(jù)密度波理論，銀河系旋臂的主要特征是：A.旋臂是物質(zhì)的實際集中區(qū)域B.旋臂中的恒星和氣體都以相同的速度運動C.旋臂的形狀由銀心方向指向螺旋臂的末端D.旋臂是引力勢能最低的區(qū)域3.當(dāng)一個恒星從銀河系內(nèi)旋臂“穿過”時，其軌道速度（大小）會發(fā)生什么變化？A.必定增大B.必定減小C.保持不變D.可能增大也可能減小，取決于穿越的具體位置和旋臂密度4.以下哪種觀測方法最直接地探測到了銀河系中由年輕恒星和HII區(qū)組成的“星流”所指示的旋臂結(jié)構(gòu)？A.對特定化學(xué)元素（如碳星）的徑向速度測量B.對全天彌漫氣體（如分子云）的21厘米譜線觀測C.對年輕、藍色恒星群的視向速度和空間運動測量D.對銀心方向恒星的光度分布分析5.密度波理論認為，旋臂中氣體云的密度擾動是如何影響恒星運動的？A.直接施加引力拖拽，改變恒星軌道B.通過引力擾動，使恒星發(fā)生減速C.增加恒星穿越旋臂時的速度梯度D.使恒星在通過密度波時受到一個暫時的徑向壓力6.銀河系旋臂的纏角（pitchangle）是指：A.旋臂在銀河系平面上的投影與徑向距離的夾角B.旋臂法線方向與銀河系旋轉(zhuǎn)方向的夾角C.旋臂上相鄰恒星之間的大圓弧距離與實際距離之比D.旋臂張角隨距離銀心的變化率7.如果觀測發(fā)現(xiàn)某區(qū)域存在顯著的速度彌散（randommotion），這對確定該區(qū)域的旋臂結(jié)構(gòu)會帶來什么困難？A.無法測量該區(qū)域的平均徑向速度B.難以區(qū)分該速度彌散是旋臂運動還是隨機運動C.使計算該區(qū)域的恒星密度變得不可能D.直接導(dǎo)致該區(qū)域無法形成旋臂8.與觀測恒星視向速度相比，觀測氣體分子云的21厘米譜線在分析旋臂運動時，其主要優(yōu)勢在于：A.可以直接測量恒星的真實空間速度B.對年輕恒星形成的旋臂結(jié)構(gòu)更敏感C.可以避免星際塵埃對視線方向的干擾D.能夠提供更精確的氣體云密度信息9.根據(jù)旋臂的“引力透鏡”效應(yīng)或“引力聚焦”效應(yīng)，我們可以預(yù)期：A.旋臂前方遙遠的星光會偏向旋臂方向B.旋臂中的氣體云會吸收來自后方恒星的光C.恒星在通過旋臂時會因為引力加速而變亮D.旋臂本身會發(fā)出強烈的射電輻射10.對比太陽附近的銀河系旋轉(zhuǎn)曲線與銀心方向的旋轉(zhuǎn)曲線，可以得出什么重要結(jié)論？A.銀河系是一個致密核心的橢球體B.銀河系存在一個巨大的暗物質(zhì)暈C.銀河系盤中存在顯著的恒星形成環(huán)D.銀河系的自轉(zhuǎn)速度在銀心處達到最大二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上。）1.利用造父變星測距時，其周期與視向速度之間存在____________關(guān)系，利用這一關(guān)系可以反推造父變星的____________距離，進而幫助確定其空間運動速度。2.密度波理論假設(shè)引力勢是____________對稱的，而恒星和氣體對密度波的響應(yīng)是____________的。3.在分析恒星運動時，將視向速度與空間速度（或垂直速度）結(jié)合起來，得到的是恒星的____________速度矢量。4.銀河系旋臂通常呈現(xiàn)____________色調(diào)，這主要是由構(gòu)成旋臂的____________恒星以及____________區(qū)所決定的。5.基于對恒星運動速度的長期觀測，人們發(fā)現(xiàn)太陽位于銀河系的一個____________（高速或低速）旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述使用法布里-珀羅干涉儀測量造父變星視向速度的基本原理。2.簡要解釋為什么根據(jù)密度波理論，恒星可以相對穩(wěn)定地通過旋臂，而不是被旋臂“甩”出去。3.指出至少兩種用于探測銀河系旋臂運動速度的觀測方法，并簡述其原理或特點。4.描述一下銀河系旋轉(zhuǎn)曲線（RotationCurve）的概念，并說明其形狀對理解銀河系質(zhì)量分布有何啟示。四、計算題（共20分。）1.假設(shè)銀河系是一個軸對稱的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其旋轉(zhuǎn)曲線可以近似表示為v(r)=v?*sqrt(r/r?)，其中v?=220km/s，r?=3kpc。試計算：a.在距離銀心5kpc處，恒星的軌道速度（大?。┦嵌嗌伲縝.若一顆恒星位于該位置，其視向速度為+50km/s，試估算其真實空間速度的大小和可能的方向（即其空間運動矢量與徑向方向的夾角大致范圍）。假設(shè)該恒星的運動軌跡大致垂直于視線方向。試卷答案一、選擇題1.B解析：天琴座RR型變星是造父變星的一種，其關(guān)鍵特性是周期與平均視向速度之間存在明確且穩(wěn)定的關(guān)系，利用此關(guān)系結(jié)合測距方法（如利用其他變星或標準燭光）可以推算距離，進而得到空間速度。2.A解析：密度波理論認為旋臂是引力勢不穩(wěn)定性造成的“波紋”，是物質(zhì)（主要是氣體）在穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的星系盤中相對“滯留”的區(qū)域，而不是恒星的實際集中區(qū)。恒星會穿越旋臂，氣體則對密度波做出反應(yīng)。3.D解析：根據(jù)密度波理論，恒星穿越旋臂時，會感受到旋臂物質(zhì)產(chǎn)生的引力擾動。在旋臂前端附近，引力有徑向分量，可能使軌道速度增大；在旋臂后端附近，引力指向旋臂中心，可能使軌道速度減小。因此速度可能增大也可能減小。4.C解析：星流是由年輕恒星和HII區(qū)（電離氫區(qū)）組成的、大致沿旋臂延伸的弧狀結(jié)構(gòu)。觀測這些星流的整體視向速度和空間運動，可以直接揭示旋臂的整體結(jié)構(gòu)和運動特征。5.A解析：密度波理論認為，旋臂的引力勢異常（局部引力增強）會對穿過的恒星產(chǎn)生暫時的拖拽效應(yīng)，類似于在波浪中行船會被波浪推著走，從而改變了恒星相對于背景星的運動，使其軌跡發(fā)生微小的彎曲或速度發(fā)生暫時的改變。6.B解析：旋臂的纏角定義為旋臂的切線方向與銀河系旋轉(zhuǎn)方向（通常是角速度方向）之間的夾角。它描述了旋臂在空間中展開的方式。7.B解析：速度彌散是指區(qū)域內(nèi)物體運動速度的分散程度。在高速度彌散區(qū)域，隨機運動的速度分量可能非常大，與旋臂的整體運動速度疊加在一起，使得區(qū)分旋臂的系統(tǒng)性運動和背景的隨機運動變得非常困難。8.B解析：氣體分子云（特別是分子云）主要發(fā)出21厘米氫原子譜線。年輕恒星形成的HII區(qū)發(fā)出可見光和射電輻射。觀測21厘米譜線主要探測到的是氣體，而氣體往往是旋臂結(jié)構(gòu)的主要組成部分和動力學(xué)載體，對年輕恒星形成的旋臂更為敏感。9.A解析：當(dāng)光線經(jīng)過大質(zhì)量物體（如密集的旋臂區(qū)域）附近時，會因引力發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象稱為引力透鏡效應(yīng)。遙遠的星光如果位于旋臂“后方”，其路徑會因前方旋臂的引力而發(fā)生彎曲，從而偏向觀測者的視線方向。10.B解析：觀測到的銀河系旋轉(zhuǎn)曲線是指恒星軌道速度（大?。╇S距離銀心半徑變化的曲線。在太陽附近，速度達到峰值并隨后下降；但在銀心方向，速度反而繼續(xù)上升。這種“平坦”或“上翹”的旋轉(zhuǎn)曲線無法僅用可見物質(zhì)解釋，通常認為是由分布廣泛的暗物質(zhì)提供的引力引起的。二、填空題1.線性；視解析：天琴座RR型變星（造父變星）的光變周期與其平均視向速度成正比關(guān)系。利用此關(guān)系和測得的視向速度，可以推算出其視距離。2.軸對稱；不同解析：密度波理論的核心假設(shè)之一是星系的引力勢在旋轉(zhuǎn)時軸對稱（關(guān)于通過銀心和視線方向的軸）。同時，它假設(shè)恒星和氣體對通過它們的密度波有不同的響應(yīng)函數(shù)。3.真實解析：視向速度是沿視線方向的速度分量，空間速度是真三維空間中的速度。將視向速度與垂直于視線方向的速度分量（可通過對速度曲線進行空間分解得到）結(jié)合，即可得到恒星的真實空間速度矢量。4.藍色；年輕；HII解析：旋臂通常呈現(xiàn)藍色，因為它們主要由相對年輕、高溫、大質(zhì)量的恒星組成，這些恒星發(fā)出強烈的藍光。同時，旋臂區(qū)域富含星際氣體，其中許多區(qū)域形成了HII區(qū)，發(fā)出輝光。5.高速解析：根據(jù)對銀河系恒星運動速度的長期觀測，發(fā)現(xiàn)太陽位于一個相對于銀心方向運動速度較快的區(qū)域內(nèi)，即太陽處于一個高速旋轉(zhuǎn)的旋臂或環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。三、簡答題1.解析：法布里-珀羅干涉儀（F-PInterferometer）是一種高分辨率光譜儀。它利用兩塊平行的玻璃板之間的空氣薄膜產(chǎn)生相干干涉效應(yīng)。當(dāng)來自遙遠造父變星的光通過F-P干涉儀時，只有在特定角度（與光的波長和空氣層厚度有關(guān)）的光才能通過輸出狹縫到達探測器。通過精確測量輸出狹縫接收到的譜線輪廓（例如，Hα線的輪廓），可以非常精確地測定由于多普勒效應(yīng)引起的譜線移動量，從而得到造父變星的視向速度。2.解析：密度波理論解釋恒星穿越旋臂而不被甩出去的關(guān)鍵在于：恒星主要受到的是旋臂局部引力勢的微弱擾動，而不是持續(xù)的引力束縛。當(dāng)恒星進入旋臂區(qū)域時，局部引力勢會對其軌道產(chǎn)生一個微小的改變，使其速度略微偏離穩(wěn)定圓軌道。但當(dāng)恒星離開旋臂區(qū)域后，局部引力擾動消失，恒星會重新受到整體引力勢的影響，逐漸回到（或接近）其原有的穩(wěn)定圓軌道上。這類似于在波浪上行駛的船，波浪會改變船的軌跡，但船不會被波浪本身帶走。3.解析：探測銀河系旋臂運動速度的主要方法有：*利用造父變星和天琴座RR型變星：通過測量這些標準燭光的視向速度和距離，可以確定它們的空間速度矢量。大量這種測距和測速數(shù)據(jù)可以描繪出恒星運動場，揭示旋臂的結(jié)構(gòu)和運動。*利用分子云觀測21厘米譜線：通過射電望遠鏡觀測銀河系盤面彌漫的氫原子云發(fā)出的21厘米譜線，可以直接測量這些氣體云的視向速度。氣體云的運動往往與旋臂結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，是研究旋臂動力學(xué)的重要探針。4.解析：銀河系旋轉(zhuǎn)曲線是指描述銀河系中恒星或氣體云的軌道速度（大?。┡c其距離銀心半徑的關(guān)系圖線。典型的旋轉(zhuǎn)曲線顯示，在距離銀心較近的區(qū)域（太陽附近），速度隨半徑增大而增大，達到峰值；在距離銀心較遠的區(qū)域，速度趨于平穩(wěn)或略有下降。這種形狀的旋轉(zhuǎn)曲線與僅由可見物質(zhì)（恒星和氣體）組成的旋轉(zhuǎn)星系模型預(yù)測的結(jié)果不符。觀測到的平坦或上翹的旋轉(zhuǎn)曲線強烈暗示，在銀河系外圍存在大量看不見的暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)提供了額外的引力，使得外圍區(qū)域的恒星能夠維持如此高的軌道速度。四、計算題1.解析：a.根據(jù)給定的旋轉(zhuǎn)曲線公式v(r)=v?*sqrt(r/r?)，將r=5kpc和r?=3kpc代入：v(5)=220km/s*sqrt(5kpc/3kpc)v(5)=220km/s*sqrt(5/3)v(5)≈220km/s*1.291v(5)≈284.02km/s答：在距離銀心5kpc處，恒星的軌道速度大小約為284km/s。b.恒星的真實空間速度矢量V可以分解為徑向分量V_r（即視向速度V_rad）和垂直于視線的切向分量V_t。根據(jù)幾何關(guān)系，真實速度大小V=sqrt(V_r2+V_t2)。已知V_r=+50km/s，V=v(5)≈284km/s?？梢郧蟪銮邢蛩俣却笮_t：V_t2=V2-V_r2V_t2=(284km/s)2-(50km/s)2V_t2=80656km2/s2-2500km2/s2V_t2=78156k