2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——星際中子星的性質(zhì)分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.根據(jù)目前的理論，大質(zhì)量恒星在其生命末期發(fā)生引力坍縮時(shí)，如果剩余核心質(zhì)量介于多少克之間，最有可能形成中子星？A.1.4低于此值形成白矮星B.3.0低于此值形成黑洞C.5.0低于此值核心會(huì)繼續(xù)坍縮成黑洞D.8.0以上會(huì)形成中子星2.中子星的超高密度主要源于什么？A.恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)B.強(qiáng)大的磁場(chǎng)壓縮物質(zhì)C.巨大的引力擠壓使物質(zhì)克服了原子核的庫(kù)侖斥力，進(jìn)入簡(jiǎn)并態(tài)D.伴星物質(zhì)持續(xù)沖擊帶來(lái)的壓力3.脈沖星之所以被稱為“脈沖星”，其核心機(jī)制是：A.恒星表面物質(zhì)劇烈噴發(fā)B.中子星表面存在快速旋轉(zhuǎn)的磁極，其輻射束掃過(guò)地球時(shí)被觀測(cè)到C.中子星內(nèi)部發(fā)生劇烈的核反應(yīng)D.中子星與伴星之間發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的共振現(xiàn)象4.中子星的磁場(chǎng)強(qiáng)度通常遠(yuǎn)超太陽(yáng)，其來(lái)源被認(rèn)為是：A.恒星形成過(guò)程中磁場(chǎng)線的保存B.超新星爆發(fā)時(shí)的磁場(chǎng)放大效應(yīng)C.中子星強(qiáng)大的引力壓縮導(dǎo)致的磁場(chǎng)增強(qiáng)D.伴星物質(zhì)帶來(lái)的外部磁場(chǎng)5.在中子星的研究中，X射線和伽馬射線的主要來(lái)源是：A.中子星表面的熱輻射B.中子星內(nèi)部的核反應(yīng)C.伴星物質(zhì)沖擊中子星吸積盤(pán)或磁層產(chǎn)生的高溫等離子體過(guò)程D.中子星自轉(zhuǎn)引起的引力波輻射二、填空題（請(qǐng)將答案填寫(xiě)在橫線上）6.中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常被分為_(kāi)_____、______和______三個(gè)主要區(qū)域。7.脈沖星的周期通常在______秒到______秒的范圍內(nèi)。8.由于霍金輻射等理論預(yù)言，黑洞被認(rèn)為是______的最終歸宿，而中子星則被認(rèn)為是質(zhì)量稍大的恒星坍縮的另一種可能結(jié)果。9.觀測(cè)到的快速脈沖星表明中子星表面可能存在近乎______的超流體狀態(tài)。10.磁星是具有極端磁場(chǎng)的中子星，其表面磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)______特斯拉量級(jí)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問(wèn)題）11.簡(jiǎn)述恒星從主序階段演化為中子星的典型過(guò)程及其關(guān)鍵物理機(jī)制。12.解釋什么是“引力透鏡效應(yīng)”，并說(shuō)明它如何在研究中子星方面發(fā)揮作用。13.簡(jiǎn)要說(shuō)明中子星的“磁星”與普通脈沖星的主要區(qū)別。四、論述題（請(qǐng)圍繞下列主題進(jìn)行較為深入的論述）14.闡述中子星作為極端天體物理實(shí)驗(yàn)室，在檢驗(yàn)廣義相對(duì)論、探索強(qiáng)相互作用、研究超流體和超導(dǎo)現(xiàn)象等方面的重要意義。15.討論脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）如何通過(guò)探測(cè)來(lái)自大量脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間延遲來(lái)尋找超大質(zhì)量黑洞（SMBH）并測(cè)量宇宙的膨脹速率。五、分析題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)對(duì)下列問(wèn)題進(jìn)行分析）16.假設(shè)一顆脈沖星的自轉(zhuǎn)周期為1.5秒，且其磁軸與其自轉(zhuǎn)軸之間的夾角為30度。如果該脈沖星的磁極輻射區(qū)域位于其“北磁極”，當(dāng)?shù)厍蜻\(yùn)行到其軌道上的特定位置，使得來(lái)自該磁極的輻射束恰好掃過(guò)地球時(shí)，地球上觀測(cè)者將接收到什么樣的脈沖信號(hào)特征？（請(qǐng)從脈沖周期、脈沖寬度、脈沖形態(tài)等方面進(jìn)行分析）。17.分析中子星的吸積過(guò)程可能對(duì)伴星產(chǎn)生哪些物理影響？這些影響如何被觀測(cè)到，并反過(guò)來(lái)幫助我們研究中子星自身的性質(zhì)？試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.B5.C二、填空題6.核心區(qū)、內(nèi)層殼層、外層殼層7.0.001至18.黑洞9.純液態(tài)10.10^14至10^15三、簡(jiǎn)答題11.答：大質(zhì)量恒星（通常大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量）在核燃料耗盡后，核心在自身引力作用下發(fā)生坍縮。當(dāng)核心密度達(dá)到奈特密度時(shí)，質(zhì)子與中子結(jié)合形成中子，電子被電子俘獲或湮滅，原子核被壓縮。同時(shí)，核心外層物質(zhì)發(fā)生反彈，形成沖擊波，將外層物質(zhì)拋射出去，形成超新星爆發(fā)。這次爆發(fā)將核心物質(zhì)壓縮并穩(wěn)定在中子星狀態(tài)。關(guān)鍵機(jī)制包括引力坍縮、核反應(yīng)（電子俘獲）、簡(jiǎn)并態(tài)壓力、沖擊波。12.答：引力透鏡效應(yīng)是指大質(zhì)量天體（如中子星、黑洞、星系團(tuán)）的引力場(chǎng)會(huì)使其后方更遙遠(yuǎn)天體的光線發(fā)生彎曲。通過(guò)精確測(cè)量已知光源（如背景脈沖星或類星體）的脈沖到達(dá)時(shí)間相對(duì)于預(yù)期時(shí)間的延遲，可以探測(cè)到中間引力透鏡天體的存在。這種延遲的大小與透鏡天體的質(zhì)量、距離以及光源與透鏡的相對(duì)位置有關(guān)，因此可用于估計(jì)透鏡天體的質(zhì)量（特別是超大質(zhì)量黑洞），并作為精確測(cè)量宇宙哈勃常數(shù)的一種獨(dú)立方法。13.答：磁星與普通脈沖星的主要區(qū)別在于其磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁星的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)超普通脈沖星（通常大于10^14特斯拉，甚至高達(dá)10^15特斯拉），而普通脈沖星的磁場(chǎng)通常在10^8至10^12特斯拉范圍。這種極端的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁星展現(xiàn)出獨(dú)特的電磁現(xiàn)象，如強(qiáng)烈的X射線和伽馬射線脈沖爆發(fā)，以及可能存在的極快的旋轉(zhuǎn)和獨(dú)特的脈沖形態(tài)。四、論述題14.答：中子星因其極端的物理?xiàng)l件（超高密度、強(qiáng)引力場(chǎng)、超快自轉(zhuǎn)、極端磁場(chǎng)）而成為檢驗(yàn)基礎(chǔ)物理定律的理想實(shí)驗(yàn)室。首先，其強(qiáng)引力場(chǎng)使其成為檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的絕佳場(chǎng)所，例如通過(guò)觀測(cè)脈沖星的自轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)（如Hulse-Taylor脈沖星已獲諾貝爾獎(jiǎng)）、引力波輻射（自轉(zhuǎn)不穩(wěn)定中子星）、以及引力透鏡效應(yīng)來(lái)驗(yàn)證。其次，中子星內(nèi)部的高密度環(huán)境接近原子核密度，使得強(qiáng)相互作用力變得重要，研究中子星的方程-of-state（狀態(tài)方程）有助于完善核物理理論。此外，觀測(cè)到的中子星表面超流體和超導(dǎo)現(xiàn)象，為研究凝聚態(tài)物理在極端條件下的表現(xiàn)提供了獨(dú)特窗口，有助于理解物質(zhì)在極端條件下的相變和奇異物態(tài)。最后，中子星作為宇宙中的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”和“時(shí)鐘”，在宇宙結(jié)構(gòu)形成、暗物質(zhì)探測(cè)、宇宙膨脹速率測(cè)量等方面也扮演著重要角色。15.答：脈沖星計(jì)時(shí)陣列（PTA）利用大量分布在天空中的毫秒脈沖星作為精確的宇宙時(shí)鐘。由于宇宙膨脹，遙遠(yuǎn)脈沖星發(fā)出的脈沖到達(dá)地球的時(shí)間會(huì)延遲。如果宇宙中存在一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞（SMBH）群，它們產(chǎn)生的引力波會(huì)擾動(dòng)時(shí)空，導(dǎo)致脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)。這種由背景引力波產(chǎn)生的脈沖到達(dá)時(shí)間延遲噪聲具有特定的統(tǒng)計(jì)特征（色散關(guān)系）。PTA通過(guò)長(zhǎng)期、高精度地監(jiān)測(cè)大量脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間，尋找這種特定的統(tǒng)計(jì)噪聲。如果探測(cè)到這種噪聲，就可以反推出產(chǎn)生它的超大質(zhì)量黑洞群的質(zhì)量分布和宇宙學(xué)參數(shù)，從而提供關(guān)于宇宙加速膨脹和暗能量的獨(dú)立信息，并測(cè)量哈勃常數(shù)。五、分析題16.答：根據(jù)題設(shè)，脈沖星自轉(zhuǎn)周期P=1.5秒，磁軸與自轉(zhuǎn)軸夾角θ=30度，磁極（輻射源）位于北磁極。當(dāng)?shù)厍驋哌^(guò)來(lái)自該磁極的輻射束時(shí)，將接收到脈沖。脈沖的周期T等于脈沖星的自轉(zhuǎn)周期，即T=1.5秒。脈沖的寬度主要取決于磁極輻射區(qū)域的角大小和磁星相對(duì)于地球的張角，但題目未提供具體數(shù)據(jù)，僅要求分析特征，故可定性描述為：脈沖寬度通常遠(yuǎn)小于脈沖周期。脈沖的形態(tài)接近于一個(gè)短暫脈沖，但由于磁場(chǎng)并非嚴(yán)格偶極場(chǎng)以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，可能不是一個(gè)完美的δ函數(shù)脈沖，而是具有一定持續(xù)時(shí)間。由于磁軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角為30度，輻射束并非隨著每次自轉(zhuǎn)都掃過(guò)地球，脈沖星是一個(gè)“脈沖星”，其脈沖周期等于自轉(zhuǎn)周期，即1.5秒。這意味著地球每年大約會(huì)接收到兩次完整的脈沖信號(hào)（取決于軌道周期和相對(duì)幾何），每次信號(hào)持續(xù)約1.5秒。17.答：中子星的吸積過(guò)程對(duì)伴星產(chǎn)生多方面顯著影響。首先，吸積流從伴星表面剝離物質(zhì)，導(dǎo)致伴星的質(zhì)量損失。其次，持續(xù)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移會(huì)在伴星表面形成顯著的“潮汐加熱”效應(yīng)，使吸積盤(pán)區(qū)域及其鄰近的伴星表面溫度升高，可能激發(fā)強(qiáng)烈的X射線或光學(xué)發(fā)射。這會(huì)導(dǎo)致伴星的半徑膨脹，表面重力加速度減小，光譜發(fā)生變化。此外，吸積過(guò)程產(chǎn)生的反沖作用可能導(dǎo)致伴星