2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫——行星科學(xué)中的恒星演化考試時間：______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(xiàng)前的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.恒星內(nèi)部能夠抵抗引力坍縮的主要壓力來源是（）。A.熱壓力B.簡并電子壓力C.離子壓力D.核聚變產(chǎn)生的輻射壓力2.恒星在主序階段的主要能量來源是（）。A.核燃料的衰變B.恒星收縮釋放的引力勢能C.氦閃D.氫核聚變成氦3.導(dǎo)致低質(zhì)量恒星（小于0.8倍太陽質(zhì)量）最終演變成白矮星的關(guān)鍵因素是（）。A.核燃料耗盡后核心發(fā)生災(zāi)難性坍縮B.外層物質(zhì)被剝離形成行星狀星云C.核聚變持續(xù)進(jìn)行直至燃料耗盡D.被大質(zhì)量伴星吸積4.與紅巨星相比，主序星的主要區(qū)別在于（）。A.密度更大B.表面溫度更高C.核心壓力更大D.能量主要來自外部5.大質(zhì)量恒星生命末期發(fā)生超新星爆發(fā)的主要物理原因是（）。A.氦核心的快速聚變B.碳氧核心的電子簡并壓力失穩(wěn)C.氫殼層燃燒突然停止D.恒星與伴星的質(zhì)量交換6.赫羅圖（H-RDiagram）在恒星研究中的主要用途之一是（）。A.直接測量恒星距離B.估算恒星年齡C.判斷恒星化學(xué)成分D.預(yù)測恒星未來演化路徑7.行星狀星云的形成通常與以下哪種恒星演化階段相關(guān)？（）A.主序早期B.紅巨星階段C.超新星爆發(fā)D.白矮星后期8.“簡并態(tài)”物質(zhì)的主要特征是（）。A.密度極高，壓力主要由原子核排斥力提供B.溫度極高，壓力主要由氣體分子動能提供C.亮度極高，能量主要由核聚變提供D.體積極大，壓力主要由引力提供9.中微子在恒星演化過程中扮演的重要角色是（）。A.負(fù)責(zé)運(yùn)輸恒星內(nèi)部大部分能量B.在大質(zhì)量恒星核心的核塌縮和超新星爆發(fā)中傳遞能量C.決定恒星的初始質(zhì)量D.引起恒星表面的耀斑活動10.恒星的金屬豐度（[Fe/H]）對其行星系統(tǒng)的形成和性質(zhì)有重要影響，這主要是因?yàn)椋ǎ?。A.金屬元素是構(gòu)成行星的主要物質(zhì)B.金屬豐度決定了恒星的光度C.金屬元素可以影響星際介質(zhì)的冷卻速度，從而影響行星形成的條件D.金屬元素會增強(qiáng)恒星的磁場二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.恒星內(nèi)部能量從核心向外傳輸?shù)闹饕绞接衉_________和__________兩種。2.霍爾洛夫茲判據(jù)（JeansCriterion）描述了__________與__________的平衡狀態(tài)，是決定恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本條件之一。3.恒星演化階段可以通過觀測其所在的__________來確定，例如主序帶、紅巨星支和漸近巨星支等。4.白矮星是__________質(zhì)量恒星演化晚期的最終產(chǎn)物，其內(nèi)部不再進(jìn)行核聚變，主要依靠__________輻射冷卻。5.超新星爆發(fā)主要有__________型和__________型兩種基本類型，它們的區(qū)別在于爆發(fā)前核心殘留物不同。6.觀測__________的年齡可以間接推算出其所在星團(tuán)中恒星的形成時間，從而研究恒星演化的時間標(biāo)尺。7.恒星活動（如__________和__________）對行星表面的宜居環(huán)境可能產(chǎn)生顯著影響。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述恒星離開主序階段的原因及其物理過程。2.比較大質(zhì)量恒星和低質(zhì)量恒星在演化路徑和最終命運(yùn)上的主要區(qū)別。3.解釋什么是“金屬豐度”？為什么它對行星科學(xué)的研究很重要？4.簡述超新星爆發(fā)的核塌縮模型（Core-CollapseModel）中，中微子在能量傳遞和沖擊波形成過程中的作用。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一顆與太陽類似的恒星（質(zhì)量為1M☉，半徑為1R☉，表面溫度為5800K）處于主序階段，其內(nèi)部核心的氫燃燒速率約為每秒消耗1%的氫質(zhì)量。已知太陽的年齡約為46億年（4.6x10^9年），估算這顆類似恒星在主序階段預(yù)計(jì)能持續(xù)的時間（以年為單位，結(jié)果保留一位有效數(shù)字）。提示：主序壽命與質(zhì)量的立方根成反比。2.一顆恒星位于赫羅圖上的紅巨星區(qū)域，其光度約為太陽的100倍，表面溫度約為3500K。請定性說明這顆恒星可能處于哪個演化階段？并簡述判斷依據(jù)。如果可能，請推測其最終可能形成的殘留天體是什么？五、論述題（10分）試論述恒星演化過程中的核聚變反應(yīng)如何決定了元素的豐度，并說明這些元素豐度的演化對行星的形成和宇宙中生命的可能存在具有怎樣的意義。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.A5.B6.B7.B8.A9.B10.C二、填空題1.輻射傳輸，對流傳輸2.引力，熱壓力（或內(nèi)壓）3.赫羅圖4.小于8倍太陽質(zhì)量（或小于8M☉），輻射5.核塌縮（或Ia），吸積（或Ib/c,II）6.疏散星團(tuán)7.耀斑，日冕物質(zhì)拋射三、簡答題1.解析思路：主序星核心的氫核聚變產(chǎn)生能量，核心逐漸增溫、增密。當(dāng)核心溫度和壓力足夠高（達(dá)到氦燃燒條件）或核心氫耗盡時，核心開始收縮。核心收縮導(dǎo)致核心溫度和壓力進(jìn)一步升高，同時外部包層受熱膨脹。外部包層膨脹導(dǎo)致其光度增加，表面溫度降低，從而使恒星在赫羅圖上向右上方移動，離開主序帶，進(jìn)入紅巨星或紅矮星階段。2.解析思路：主要區(qū)別在于核心能否進(jìn)行碳核燃燒。大質(zhì)量恒星（通常>8M☉）核心溫度足夠高，可以依次進(jìn)行氫、氦、碳、氧…直至鐵核的核聚變。最終核心形成鐵核，因鐵聚變不釋放能量反而吸收能量，導(dǎo)致核心失穩(wěn)塌縮，引發(fā)超新星爆發(fā)。殘留核心若為中子星，則最終成為黑洞。低質(zhì)量恒星（<8M☉）核心溫度不足以點(diǎn)燃碳核燃燒，氫燃盡后核心只能依靠電子簡并壓力支撐，外層膨脹變冷，形成紅巨星，最終通過行星狀星云散失外層物質(zhì)，留下白矮星。3.解析思路：金屬豐度通常指恒星光譜中比氫和氦重的元素（如鐵元素）的相對含量，常用[Fe/H]表示，即log??(金屬abundance/氦abundance)相對于太陽的差值。研究行星科學(xué)時很重要，因?yàn)椋?）行星主要由重元素構(gòu)成，金屬豐度影響行星形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和行星的大小、密度；2）金屬豐度高的星際介質(zhì)更有利于原行星盤的形成，可能形成更多行星；3）觀測發(fā)現(xiàn)，主序星金屬豐度與其擁有系外行星的概率正相關(guān)。4.解析思路：在核塌縮型超新星（如SNII）中，大質(zhì)量恒星核心坍縮時會產(chǎn)生大量中微子。這些中微子幾乎不與物質(zhì)相互作用，以接近光速向外飛馳，攜帶走了核心坍縮過程中大部分的能量（約99%）。同時，中微子與核心中的中微子吸收體（如中子、質(zhì)子）碰撞，傳遞動量，有助于在核心外形成一個中微子驅(qū)動層，該層向內(nèi)沖擊形成沖擊波。這個沖擊波隨后與外部的恒星物質(zhì)猛烈碰撞、膨脹，將恒星外層物質(zhì)加熱到極高溫度并賦予其超高速度，形成可見的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。四、計(jì)算題1.解析思路：利用主序壽命與質(zhì)量的關(guān)系L∝M/t_main，即t_main∝M/L。對于質(zhì)量相似的恒星，壽命相似。已知太陽壽命t_sun≈4.6x10^9年，太陽光度L_sun=1L☉。類似恒星的光度L_x=100L☉。根據(jù)t_x/t_sun=L_sun/L_x，可得t_x=t_sun*L_sun/L_x=(4.6x10^9年)*(1L☉)/(100L☉)=4.6x10^7年。保留一位有效數(shù)字，結(jié)果為4x10^7年。答案：4x10^7年2.解析思路：該恒星位于赫羅圖上光度高（L>>1L☉）、溫度低（T<6000K）的區(qū)域，這典型地對應(yīng)紅巨星演化階段。恒星處于此階段意味著其核心氫已燃盡，外層包層顯著膨脹變冷，導(dǎo)致光度增加、溫度降低。最終，若質(zhì)量小于8M☉，它會演變成白矮星。五、論述題解析思路：1.核聚變與元素豐度：恒星通過核聚變過程將較輕的原子核融合成較重的原子核，同時釋放巨大能量。這個過程始于氫聚變成氦，隨后氦聚變（碳、氧），再經(jīng)歷碳、氧、氖、鎂、硅…直至鐵。不同質(zhì)量、不同演化階段的恒星，其核心能夠進(jìn)行的核聚變反應(yīng)種類和程度不同。大質(zhì)量恒星能合成比鐵更重的元素（r過程），這些元素主要在超新星爆發(fā)或中子星合并中拋灑到宇宙空間。低質(zhì)量恒星主要進(jìn)行氫、氦燃燒，合成碳、氧等較輕的重元素，這些元素也通過漸近巨星支階段的風(fēng)丟失到星際介質(zhì)。因此，恒星演化是宇宙中元素（特別是重元素）合成和豐度演化的重要驅(qū)動力。2.對行星科學(xué)的意義：恒星和行星形成的物質(zhì)都來源于宇宙中的星際介質(zhì)，該介質(zhì)由之前的恒星演化（死亡）過程拋灑的物質(zhì)組成。