2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際空間中的能量轉(zhuǎn)換與傳輸考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是恒星風(fēng)的主要能量來(lái)源？A.恒星核心的核聚變反應(yīng)B.恒星表面的磁場(chǎng)活動(dòng)C.恒星外部等離子體的熱壓力D.恒星附近星際云的引力勢(shì)能2.當(dāng)星光通過(guò)含有冷塵埃顆粒的星際云時(shí)，通常會(huì)發(fā)生的主要現(xiàn)象是？A.光譜藍(lán)移B.光譜紅移C.光譜出現(xiàn)強(qiáng)烈的發(fā)射線D.光譜中特定波長(zhǎng)的光被強(qiáng)烈吸收3.根據(jù)維恩位移定律，一個(gè)輻射體的溫度升高時(shí)，其輻射峰值波長(zhǎng)將？A.變長(zhǎng)B.變短C.保持不變D.先變短后變長(zhǎng)4.在星際介質(zhì)中，電離區(qū)的邊界通常表現(xiàn)為？A.溫度發(fā)生劇烈變化的區(qū)域B.密度發(fā)生劇烈變化的區(qū)域C.恒星紫外輻射能量被顯著吸收的區(qū)域D.分子與離子共存的高密度區(qū)域5.下列哪種機(jī)制主要負(fù)責(zé)加熱星系際介質(zhì)（IGM）？A.星系核的活動(dòng)性B.星系風(fēng)從星系盤的流出C.來(lái)自年輕星團(tuán)恒星風(fēng)的能量注入D.宇宙膨脹過(guò)程中對(duì)殘留輻射的冷卻6.斯式藩-玻爾茲曼定律描述的是？A.黑體輻射峰值波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系B.黑體輻射總能量與溫度的關(guān)系C.光子與電子碰撞的能量交換效率D.星際塵埃對(duì)輻射的散射強(qiáng)度7.恒星形成通常發(fā)生在哪種類型的星際云中？A.高溫、高密度離子區(qū)B.溫度極低、密度極大的分子云C.密度很低、主要由熱氣體組成的HII區(qū)D.受到強(qiáng)烈恒星風(fēng)影響的電離區(qū)8.阿爾文波是一種在等離子體中傳播的磁聲波，其存在的必要條件是？A.存在強(qiáng)大的星際磁場(chǎng)B.等離子體密度和溫度極高C.等離子體必須處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)D.存在明顯的星際湍流9.下列哪項(xiàng)觀測(cè)證據(jù)最有力地支持了超新星爆發(fā)是附近星際介質(zhì)加熱的重要能量來(lái)源？A.超新星遺跡的快速膨脹速度B.超新星遺跡中合成重元素的存在C.超新星遺跡內(nèi)部射電脈沖星的發(fā)現(xiàn)D.超新星遺跡周圍星際氣體溫度的顯著升高10.赫羅圖（Hertzsprung-RussellDiagram）對(duì)于研究恒星的能量轉(zhuǎn)換有何重要作用？A.直接標(biāo)示出恒星表面溫度與輻射能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系B.可以根據(jù)恒星的位置判斷其主要的能量來(lái)源和演化階段C.用于精確測(cè)量恒星與地球之間的距離D.描述了恒星內(nèi)部核反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共25分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述光致電離和碰撞電離在星際介質(zhì)中分別起作用的前提條件及主要區(qū)別。2.解釋星際塵埃顆粒如何通過(guò)吸收和再輻射恒星輻射來(lái)加熱周圍氣體，并說(shuō)明其重要性。3.描述恒星形成過(guò)程中，一個(gè)分子云從引力不穩(wěn)定階段演化為原恒星的過(guò)程大致涉及哪些關(guān)鍵物理機(jī)制。4.解釋什么是星際磁場(chǎng)對(duì)等離子體的約束作用，并簡(jiǎn)述磁場(chǎng)如何影響宇宙線的傳播。5.簡(jiǎn)要說(shuō)明恒星風(fēng)和星系風(fēng)在能量傳輸和介質(zhì)演化方面的主要區(qū)別。三、計(jì)算題（每小題10分，共20分。請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟）1.假設(shè)一個(gè)特定區(qū)域的星際氣體溫度為100K，塵埃顆粒的有效溫度為20K。已知該區(qū)域的星際輻射場(chǎng)等效溫度為5000K。請(qǐng)估算該區(qū)域塵埃對(duì)星際輻射的吸收效率（即塵埃吸收的總能量與入射總輻射能量的比值），并簡(jiǎn)要說(shuō)明影響此效率的主要因素。2.一個(gè)超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波在膨脹過(guò)程中，測(cè)得其當(dāng)前半徑為5光年，膨脹速度為1000km/s。假設(shè)沖擊波與星際介質(zhì)的相互作用遵循球?qū)ΨQ膨脹模型，且介質(zhì)密度均勻。請(qǐng)估算該超新星爆發(fā)注入到半徑為5光年范圍內(nèi)星際介質(zhì)的總能量（以焦耳為單位，需給出數(shù)量級(jí)即可，可假設(shè)星際氣體平均密度約為1原子/立方厘米，質(zhì)子質(zhì)量為1.67x10^-27kg，1光年約9.46x10^12m）。四、論述題（共15分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題）結(jié)合星際磁場(chǎng)、湍流和恒星輻射的作用，論述它們?nèi)绾喂餐绊懶请H介質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程和宇宙線的加速。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.C6.B7.B8.A9.D10.B二、簡(jiǎn)答題1.光致電離需要滿足星際輻射（通常是紫外光）的能量足以克服目標(biāo)原子的電離能。其過(guò)程是高能光子將其能量傳遞給原子或分子，使其電離。主要區(qū)別在于：光致電離依賴于外部輻射源的強(qiáng)度和能量，發(fā)生在相對(duì)稀疏的介質(zhì)中；碰撞電離則發(fā)生在密度較高的介質(zhì)中，通過(guò)帶電粒子（如離子或高速電子）與中性粒子碰撞，將能量傳遞給中性粒子，使其電離。2.星際塵埃顆粒吸收來(lái)自恒星（主要是紫外和可見(jiàn)光）的輻射能量，其內(nèi)部電子被激發(fā)。當(dāng)這些電子回到低能級(jí)時(shí)，會(huì)以紅外光子的形式重新輻射能量。這個(gè)過(guò)程有效地將高能量的可見(jiàn)光/紫外輻射轉(zhuǎn)化為較低能量的紅外輻射，從而加熱了塵埃所在的星際氣體。其重要性在于，這種塵埃加熱是維持低溫氣體云內(nèi)部溫度、防止其因輻射冷卻而過(guò)度收縮的關(guān)鍵機(jī)制，對(duì)恒星形成至關(guān)重要。3.分子云在引力作用下開(kāi)始坍縮，氣體密度增加，溫度升高。當(dāng)中心區(qū)域溫度和密度足夠高時(shí)，氫分子開(kāi)始分解為原子氫，并進(jìn)一步電離。隨著坍縮加劇，中心形成原恒星核，周圍形成吸積盤。原恒星核繼續(xù)收縮，溫度和壓力升高，最終觸發(fā)核聚變，成為年輕恒星。4.約束作用是指磁場(chǎng)線將帶電粒子束縛在特定區(qū)域內(nèi)，防止其自由擴(kuò)散。由于帶電粒子受到洛倫茲力的作用，它們傾向于沿著磁力線運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)較強(qiáng)的區(qū)域，帶電粒子難以逃逸，從而形成了對(duì)等離子體的約束。磁場(chǎng)影響宇宙線傳播體現(xiàn)在：宇宙線粒子在穿越磁場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡受磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響；磁場(chǎng)也可以作為波導(dǎo)或散射中心，影響宇宙線的傳播速度和能量分布，甚至在高能磁場(chǎng)中可能被加速。5.恒星風(fēng)主要起源于主序星（特別是大質(zhì)量星）的星冕，是恒星高層大氣高速流出的等離子體，速度相對(duì)較低（數(shù)百km/s），主要影響恒星自身及其近鄰環(huán)境。星系風(fēng)則是一個(gè)更大尺度的現(xiàn)象，通常由整個(gè)星系（尤其是旋臂區(qū)域）中年輕、大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的能量和物質(zhì)流出形成，速度更快（可達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)km/s），可以持續(xù)流出星系盤，將恒星風(fēng)、超新星遺跡等物質(zhì)輸運(yùn)到星系外部，甚至星系際空間，對(duì)星系的整體化學(xué)演化和能量平衡有深遠(yuǎn)影響。三、計(jì)算題1.吸收效率ε=(塵埃吸收能量/入射輻射能量)。塵埃吸收能量與其吸收系數(shù)有關(guān)，吸收系數(shù)與塵埃溫度T_d和輻射場(chǎng)溫度T_rad的比值有關(guān)。在紅外波段，吸收效率大致與(T_rad/T_d)^4接近。這里T_rad=5000K,T_d=20K。ε≈(5000/20)^4=(250)^4=3.90625x10^10。這個(gè)值遠(yuǎn)大于1，表明估算方式或模型有簡(jiǎn)化。更合理的解釋是，在T_d<<T_rad的情況下，如果考慮塵埃的發(fā)射和散射，其凈加熱效率可能有限。但題目?jī)H要求估算，且給出比值形式，可理解為基于溫度比估算吸收的重要性，實(shí)際效率受材料、大小等影響。若按理想黑體模型估算吸收比，需考慮具體波長(zhǎng)，此處簡(jiǎn)化處理。假設(shè)題目意圖考察對(duì)物理量級(jí)和影響因素的理解。解析思路：首先明確吸收效率的定義。然后認(rèn)識(shí)到塵埃吸收與入射輻射溫度比密切相關(guān)。利用維恩定律或相關(guān)知識(shí)定性判斷吸收系數(shù)隨溫度比的變化關(guān)系。進(jìn)行估算，得到一個(gè)非常高的理論值，并意識(shí)到此值與實(shí)際情況（塵埃加熱效率有限）的偏差，指出簡(jiǎn)化假設(shè)。最后強(qiáng)調(diào)需考慮具體波長(zhǎng)、塵埃性質(zhì)等影響因素。2.總能量E=功W=力F×路程s。沖擊波對(duì)介質(zhì)的力F近似為dP/dt，其中P是沖擊波壓力。P≈ρ*v^2(簡(jiǎn)化模型)。膨脹過(guò)程中，半徑R隨時(shí)間t的關(guān)系為R=v*t。所以在時(shí)間t內(nèi)做的功W≈∫PdV≈∫(ρ*v^2)(4πR^2)dr(沿徑向積分)。積分dV=4πR^2dr。W≈∫_0^R(ρ*v^2)(4πr^2)dr=4πρv^2∫_0^Rr^2dr=4πρv^2[r^3/3]_0^R=(4π/3)*ρ*v^3*R^3。代入數(shù)值：R=5光年=5*9.46x10^12m≈4.73x10^13m。v=1000km/s=10^6m/s。ρ≈1atom/cm^3=1/(6.02x10^23)kg/m^3≈1.66x10^-24kg/m^3。E≈(4π/3)*(1.66x10^-24kg/m^3)*(10^6m/s)^3*(4.73x10^13m)^3E≈(4π/3)*1.66x10^-24*10^18*1.05x10^41kgm^2/s^2E≈(4π/3)*1.66*1.05*10^35JE≈4.42*10^35J解析思路：首先確定所需計(jì)算的物理量是沖擊波注入的總能量。利用沖擊波做功的概念W=∫PdV。在球?qū)ΨQ膨脹的簡(jiǎn)化模型下，將功轉(zhuǎn)化為壓力與體積元變化率的關(guān)系。寫出壓力P的近似表達(dá)式P≈ρv^2。寫出體積元dV=4πR^2dr。將W表示為關(guān)于半徑R的積分W=∫(ρv^2)(4πR^2)dr。計(jì)算積分得到W=(4π/3)ρv^2R^3。代入題目給出的半徑R、速度v和介質(zhì)密度ρ的數(shù)值，進(jìn)行計(jì)算，得到能量E的數(shù)量級(jí)約為10^35焦耳。四、論述題星際磁場(chǎng)、湍流和恒星輻射是相互作用的因素，共同塑造了星際介質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程和宇宙線的演化。恒星輻射作為主要的能量輸入源，直接加熱塵埃，并通過(guò)光致電離、光子激發(fā)等方式改變氣體成分和狀態(tài)，形成電離區(qū)、HII區(qū)等結(jié)構(gòu)。輻射壓力也能對(duì)氣體產(chǎn)生推力。湍流是星際介質(zhì)中的普遍現(xiàn)象，表現(xiàn)為密度和速度的隨機(jī)漲落。湍流運(yùn)動(dòng)可以有效地混合不同溫度、密度和成分的氣體，促進(jìn)能量在更大尺度上的傳輸和均勻化。湍流產(chǎn)生的壓力波動(dòng)（如聲波、磁聲波）本身就是一種能量形式，并能影響磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和分布。湍流中的不穩(wěn)定性也可能為宇宙線的加速提供場(chǎng)所。星際磁場(chǎng)作為一種無(wú)處不在的約束場(chǎng)，對(duì)等離子體粒子施加洛倫茲力，影響其運(yùn)動(dòng)軌跡，起到約束和引導(dǎo)作用。磁場(chǎng)可以約束恒星風(fēng)和超新星爆發(fā)的沖擊波，改變其傳播方式和能量沉積。磁場(chǎng)與等離子體相互作用產(chǎn)生的阿爾文波等波