2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星際塵埃與星際氣體相互作用考試時間：______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.在星際介質(zhì)中，導(dǎo)致星光向紅端偏移的現(xiàn)象主要是由什么引起的？(A)氣體分子的吸收(B)氣體的散射(C)塵埃的散射(D)塵埃的吸收2.下列哪種分子常被用作探測星際云中低溫區(qū)（約10-30K）的“溫度計”？(A)CO(B)H?O(C)CN(D)C?H?3.星際塵埃顆粒對星際氣體主要的加熱機制是？(A)散射可見光(B)吸收遠紫外輻射(C)發(fā)射紅外輻射(D)與氣體分子碰撞4.Bok球狀星云的主要成分和形態(tài)與其相互作用密切相關(guān)，以下描述哪項是正確的？(A)由極冷、致密的氣體主導(dǎo)，塵埃極少。(B)由極冷、致密的塵埃主導(dǎo)，氣體被大部分阻擋。(C)由相對溫暖、稀疏的氣體和塵埃混合物組成。(D)由快速流動的氣體形成，塵埃被吹散。5.塵埃顆粒在星際氣體中運動時，會受到氣體的阻力作用，這種作用對塵埃顆粒的影響是？(A)使其加速運動直至與氣體達到相同速度(B)使其逐漸減速直至停止(C)使其向密度較高的區(qū)域移動(D)主要影響大尺寸顆粒，對微小顆粒影響忽略不計6.星際介質(zhì)中的HⅡ區(qū)（電離氫區(qū)）通常位于哪個區(qū)域？(A)被年輕、熾熱恒星照亮的密集塵埃云核心(B)被年輕、熾熱恒星照亮的彌漫塵埃和氣體區(qū)域(C)密度極高、溫度極低的分子云內(nèi)部(D)完全被遮擋、沒有星光到達的區(qū)域7.塵埃對星際氣體的重要物理效應(yīng)之一是“壓力梯度力”，這種力的方向是？(A)從高溫區(qū)指向低溫區(qū)(B)從高密度區(qū)指向低密度區(qū)(C)從低密度區(qū)指向高密度區(qū)(D)總是垂直于塵埃顆粒的運動方向8.下列哪項觀測現(xiàn)象最直接地證明了星際塵埃的存在及其對星光的影響？(A)分子云中的21厘米氫譜線發(fā)射(B)來自年輕恒星集群的強烈藍色光芒(C)星云的視覺隱藏（暗云）或顏色變紅（Reddening）(D)X射線源發(fā)出的高能輻射9.在星際塵埃表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對宇宙化學(xué)演化有何重要意義？(A)是宇宙中絕大部分元素合成的主要場所(B)使星際介質(zhì)中的元素豐度遠高于恒星內(nèi)部(C)合成了大部分簡單的有機分子，如水、氨、甲烷等(D)導(dǎo)致了星際氣體的高電離狀態(tài)10.塵埃驅(qū)動的氣體流動（Dust-GasDrift）現(xiàn)象的產(chǎn)生主要歸因于？(A)塵埃與氣體分子的化學(xué)反應(yīng)(B)塵埃和氣體在磁場中的不同運動(C)塵埃顆粒與氣體之間的溫度差和密度差導(dǎo)致的作用力不平衡(D)恒星風(fēng)對塵埃的直接壓力作用二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.星際塵埃對可見光具有強烈的________特性，而對紅外光吸收和散射較弱。2.塵埃的________散射使得來自其背后天體的星光顏色變紅，量度上用________表示。3.星際氣體的主要成分是約98%的________和________，以及約2%的其他元素和分子。4.分子云通常位于星際介質(zhì)的________區(qū)域，溫度較低（<100K），密度較高（>100cm?3）。5.恒星形成主要發(fā)生在分子云中的________區(qū)域，這些區(qū)域通常被致密的________遮擋。6.塵埃顆粒通過吸收遠紫外輻射被加熱，然后主要通過發(fā)射________輻射將能量傳遞給周圍的冷氣體。7.氣體分子（如H?）在星際塵埃表面可以通過________過程形成，這個過程對宇宙中復(fù)雜有機分子的起源至關(guān)重要。8.塵埃與氣體之間的相互作用，特別是在密度和溫度梯度的驅(qū)動下，會影響星際介質(zhì)的________場。9.紅外天文觀測對于探測和研究被星際塵埃遮擋的________和________非常重要。10.塵埃的________是衡量其吸收可見光和紫外輻射能力的重要參數(shù)。三、簡答題（每題5分，共20分。）1.簡述星際塵埃的輻射冷卻機制及其對星際氣體溫度分布的影響。2.解釋什么是星際reddening，并簡述其主要物理原因。3.描述塵埃在分子云中可能扮演的兩種不同角色（例如，作為催化劑或作為能量注入源）。4.簡單說明恒星風(fēng)或年輕恒星的紫外輻射如何影響星際塵埃的存在和特性。四、計算題（共20分。）1.（10分）假設(shè)一顆恒星的光度L=1.0×103?W，星光以接近垂直入射的方式穿過一片星際介質(zhì)，該介質(zhì)在可見光波段（假設(shè)波長λ=550nm）的消光系數(shù)AV=3.0mag。計算：(a)該介質(zhì)在可見光波段的透射比T（即透過率）是多少？(b)如果該介質(zhì)同樣對紅外光（假設(shè)波長λ=2.5μm）有消光，但其紅外消光效率因子εIR=0.1，而可見光消光效率因子εV=0.3。計算該介質(zhì)在紅外波段的消光系數(shù)AV,IR。(提示：可以使用k(λ)=AV*ε(λ)/ε(V)或k(λ)=AV*ln(T)/ε(V)的關(guān)系，并知道可見光波長下k(V)=AV/ε(V)。)2.（10分）在一個典型的HⅡ區(qū)邊緣，氣體溫度T=10,000K，電子數(shù)密度n_e=100cm?3，中性氫原子數(shù)密度n_H≈n_e（假設(shè)完全電離）。塵埃顆粒的平均半徑r=0.1μm，密度ρ_d=2g/cm3，bedo（反射比）β=0.3。假設(shè)入射到HⅡ區(qū)的星光在紫外波段的總能量密度為U_ν=1.0×10?erg/cm3/s。計算：(a)一個典型的塵埃顆粒吸收的紫外能量密度是多少？(b)假設(shè)該塵埃顆粒吸收的能量全部用于加熱周圍1立方厘米的氣體，這部分塵埃對這1立方厘米氣體的加熱率（能量/時間）是多少？（提示：需要用到塵埃的吸收截面、比熱容等概念，可簡化處理，說明主要考慮紫外吸收。）五、論述題（10分。）結(jié)合星際塵埃和星際氣體的相互作用機制，論述為什么紅外天文觀測對于理解恒星的誕生過程至關(guān)重要。請從塵埃如何隱藏年輕恒星、如何揭示分子云結(jié)構(gòu)、以及如何指示恒星形成區(qū)的物理條件等方面進行闡述。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.A6.B7.B8.C9.C10.C二、填空題1.吸收2.散射；AV3.氫；氦4.密集5.分子；塵埃6.紅外7.化學(xué)吸附8.動力學(xué)9.恒星；星云10.顏色指數(shù)(BC或AV)三、簡答題1.解析思路：塵埃吸收遠紫外輻射后能量升高，然后通過發(fā)射紅外輻射（主要是熱輻射）將能量傳遞給周圍的冷氣體分子，使其溫度升高。這個過程有效地將高能紫外光子轉(zhuǎn)化為低能紅外光子，是維持分子云中氣體溫度（通常低于塵埃溫度）的重要機制。2.解析思路：reddening是指星光通過星際塵埃云時，短波長的藍光比長波長的紅光更容易被散射掉，導(dǎo)致星光整體顏色向紅端偏移的現(xiàn)象。其主要物理原因是塵埃顆粒對可見光（藍光）有比紅光更強的散射效應(yīng)（依賴于波長，散射強度與波長四次方成反比）。3.解析思路：塵埃在分子云中可扮演多種角色。一是作為化學(xué)反應(yīng)的場所，塵埃表面（特別是碳基表面）可以吸附氣體分子，降低反應(yīng)活化能，促進復(fù)雜有機分子的合成。二是作為能量載體和傳遞者，塵埃吸收的紫外輻射使其升溫，并通過輻射冷卻影響氣體溫度；同時，塵埃與氣體的相互作用力（如壓力梯度力）可能導(dǎo)致氣體流動，將能量和物質(zhì)輸運。4.解析思路：恒星風(fēng)是年輕、大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的高速等離子流。它可以直接吹走星云中較小的塵埃顆粒，導(dǎo)致塵埃豐度降低。恒星風(fēng)攜帶的高能粒子（如質(zhì)子和電子）和紫外輻射可以電離和分解塵埃周圍的氣體分子，改變局部化學(xué)環(huán)境。強烈的紫外輻射還可以直接蒸發(fā)或燒蝕較小的塵埃顆粒。四、計算題1.解答：(a)透射比T=10^(-AV*ε(λ)/ε(V))=10^(-3.0*ln(550/550))=10^(-3.0)=0.001(或0.1%)(b)k(λ)=AV*ε(λ)/ε(V)=>k(IR)=AV*ε(IR)/ε(V)=3.0*0.1/0.3=1.0magA_V,IR=k(IR)=1.0mag或k(λ)=AV*ln(T)/ε(V)=>k(IR)=AV*ln(T_IR)/ε(V)T_IR=10^(-k(IR)*ε(V)/AV)=10^(-1.0*0.3/3.0)=10^(-0.1)=0.794A_V,IR=k(IR)=AV*ln(T_IR)/ε(V)=3.0*ln(0.794)/0.3≈1.0mag(結(jié)果與直接計算ε比更準(zhǔn)確)2.解答：(a)假設(shè)塵埃對紫外光的吸收截面σ_abs=1.0×10?2?cm2/顆粒。一個塵埃顆粒吸收的紫外能量密度U_dust=U_ν*σ_abs*n_dust*τ其中n_dust是塵埃數(shù)密度，τ是塵埃柱密度。題目未給n_dust和τ，無法計算具體數(shù)值，但吸收能量密度與U_ν、σ_abs、n_dust、τ成正比。若假設(shè)n_dust*τ=1cm?2（單位面積柱密度），則U_dust=U_ν*σ_abs=1.0×10?erg/cm3/s*1.0×10?2?cm2=1.0×10?1?erg/cm3/s。(b)加熱率Q=U_dust*A/V_dust*m_gas/(c_p*ΔT)其中A是顆粒表面積(4πr2)，V_dust是顆粒體積(4/3πr3)，m_gas是被加熱氣體的質(zhì)量(n_H*V_dust*m_H)，c_p是氣體比熱容，ΔT是溫度變化。簡化考慮，假設(shè)吸收的能量全部用于加熱1立方厘米的氣體：V_dust=4/3π(0.1×10??cm)3≈4.2×10?13cm3A=4π(0.1×10??cm)2≈1.3×10??cm2被加熱氣體V=1cm3，n_H≈100cm?3，m_H≈1.67×10?2?gm_gas=100cm?3*1cm3*1.67×10?2?g/cm3=1.67×10?22gQ≈U_dust*A/V_dust≈(1.0×10?1?erg/cm3/s)*(1.3×10??cm2)/(4.2×10?13cm3)≈3.1×10?12erg/cm3/s(此為簡化估算，未考慮氣體比熱和溫度變化)五、論述題解析思路：紅外觀測之所以重要，是因為：1.穿透塵埃：大多數(shù)恒星形成區(qū)被致密的塵埃云籠罩，可見光和紫外光被強烈吸收和散射，無法直接觀測到內(nèi)部的恒星和盤。而紅外光的波長較長，被塵埃散射和吸收的程度遠小于可見光和紫外光，能夠穿透塵埃屏障，使我們得以“看見”被遮擋的恒星形成區(qū)。2.揭示結(jié)構(gòu)：紅外輻射主要來自塵埃本身的熱輻射（溫度~20-40K）和分子