2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——恒星的磁場(chǎng)強(qiáng)度與演化關(guān)系考試時(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)字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.恒星內(nèi)部磁場(chǎng)的主要產(chǎn)生機(jī)制是？A.磁場(chǎng)通過輻射區(qū)向外傳播時(shí)逐漸增強(qiáng)B.恒星內(nèi)部存在天然磁鐵礦物質(zhì)C.對(duì)流運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)電等離子體運(yùn)動(dòng)與動(dòng)量交換（磁雙極性）D.恒星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致內(nèi)部電荷分布不均2.對(duì)于主序星，其磁場(chǎng)強(qiáng)度通常隨年齡的變化趨勢(shì)是？A.持續(xù)增強(qiáng)B.持續(xù)減弱C.在早期增強(qiáng)，晚期減弱D.在早期減弱，晚期增強(qiáng)3.導(dǎo)致晚型星（如紅巨星）磁場(chǎng)通常比主序星弱的原因之一是？A.自轉(zhuǎn)速度顯著減慢B.對(duì)流區(qū)顯著擴(kuò)大，但包含的磁場(chǎng)通量相對(duì)減少C.內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，發(fā)電機(jī)效率降低D.以上都是4.恒星磁場(chǎng)通過哪種主要機(jī)制將能量從內(nèi)部輸送到外部？A.熱傳導(dǎo)B.對(duì)流C.等離子體流D.光致電離和同步加速輻射損失5.“譜線輪換”現(xiàn)象主要與恒星的哪種物理過程有關(guān)？A.磁場(chǎng)對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)制B.恒星內(nèi)部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)C.恒星風(fēng)的形成D.磁場(chǎng)與等離子體的相互作用6.恒星風(fēng)的主要驅(qū)動(dòng)力被認(rèn)為是？A.恒星內(nèi)部的壓力梯度B.恒星自身的引力C.磁場(chǎng)壓力與洛倫茲力D.星際介質(zhì)的壓力7.磁星（Magnetar）是一種具有極端磁場(chǎng)的恒星，其磁場(chǎng)強(qiáng)度主要來源于？A.主序階段積累的磁場(chǎng)緩慢衰減B.快速旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)烈的發(fā)電機(jī)活動(dòng)C.恒星演化到晚期時(shí)釋放的內(nèi)部場(chǎng)D.外部沖擊事件重新激發(fā)的磁場(chǎng)8.磁場(chǎng)對(duì)恒星演化的顯著影響之一是？A.改變恒星的光譜類型B.控制恒星的質(zhì)量損失率，進(jìn)而影響其最終演化結(jié)局C.直接決定恒星的初始質(zhì)量D.增加恒星的核反應(yīng)速率9.如果一個(gè)恒星的磁場(chǎng)突然增強(qiáng)，并導(dǎo)致其光變曲線變寬，這可能暗示？A.恒星自轉(zhuǎn)速度顯著增加B.恒星表面活動(dòng)區(qū)（如星斑）的面積增大或數(shù)量增多C.恒星進(jìn)入快速演化階段D.恒星發(fā)生了質(zhì)量捕獲10.同步加速輻射是產(chǎn)生哪種天文觀測(cè)現(xiàn)象的重要機(jī)制？A.恒星風(fēng)B.X射線和伽馬射線爆發(fā)C.恒星的引力透鏡效應(yīng)D.恒星的光譜線二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.恒星內(nèi)部的磁場(chǎng)是通過______機(jī)制產(chǎn)生的，該機(jī)制依賴于導(dǎo)電的等離子體、______以及足夠快的自轉(zhuǎn)速度。2.恒星磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常用______來衡量，其方向由磁極的______方向決定。3.恒星磁場(chǎng)可以通過______、______和______等方式向外部空間損失能量。4.磁場(chǎng)可以顯著驅(qū)動(dòng)恒星風(fēng)，特別是對(duì)于質(zhì)量較大的恒星，形成的通常是______；而低質(zhì)量恒星的恒星風(fēng)則較弱，且與磁場(chǎng)關(guān)聯(lián)更緊密。5.觀測(cè)到的一些年輕恒星表現(xiàn)出強(qiáng)烈的耀斑活動(dòng)，這通常被認(rèn)為是______與內(nèi)部磁力線相互作用的結(jié)果。6.磁場(chǎng)對(duì)白矮星的影響可能與其質(zhì)量損失和表面加速度場(chǎng)有關(guān)，強(qiáng)磁場(chǎng)可能阻止______的形成，并影響其最終是否成為______。7.恒星的______是其磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)能夠有效運(yùn)行的關(guān)鍵條件之一。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述雙極發(fā)電機(jī)模型（DynamoTheory）中，如何從隨機(jī)對(duì)流和初始弱磁場(chǎng)演變?yōu)榫哂酗@著偶極矩的磁場(chǎng)。2.解釋磁場(chǎng)如何通過光致電離過程損失能量，并簡(jiǎn)述其對(duì)恒星物理性質(zhì)的影響。3.比較主序星與紅巨星在磁場(chǎng)特征（強(qiáng)度、分布、產(chǎn)生機(jī)制）上的主要差異。四、計(jì)算題（共15分。請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟。）假設(shè)一顆主序星，其半徑R=1.0R☉（太陽(yáng)半徑），光度L=1.0L☉（太陽(yáng)光度），自轉(zhuǎn)周期P_rot=1天。根據(jù)簡(jiǎn)單的理論模型，該星表面的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度B≈C*sqrt(L/R3*P_rot)，其中C是一個(gè)無量綱的系數(shù)，約等于2.5×10??T·s?，F(xiàn)假設(shè)該恒星進(jìn)入紅巨星階段，其半徑膨脹為R=100R☉，自轉(zhuǎn)減速，自轉(zhuǎn)周期變?yōu)镻_rot=100天，但其光度保持不變（L=1.0L☉）。計(jì)算：1.該主序星表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度B_initial。2.該恒星演化為紅巨星后，其表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度B_giant。3.比較并說明紅巨星階段磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于主序星階段的變化，并分析其可能的原因。五、論述題（15分。請(qǐng)結(jié)合具體物理過程和觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行論述。）論述磁場(chǎng)在低質(zhì)量恒星（如太陽(yáng)）的整個(gè)主序演化階段所扮演的角色。包括磁場(chǎng)如何產(chǎn)生、如何隨年齡和自轉(zhuǎn)變化、其主要能量損失機(jī)制（如光致電離），以及這些過程如何影響恒星的活動(dòng)現(xiàn)象（如星斑、耀斑）、恒星風(fēng)和質(zhì)量損失，并最終對(duì)其演化路徑產(chǎn)生何種潛在影響。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.D5.A6.C7.B8.B9.B10.B二、填空題1.磁雙極性（發(fā)電機(jī)）；動(dòng)量交換2.磁感應(yīng)強(qiáng)度（或磁場(chǎng)強(qiáng)度）；磁力線3.光致電離；同步加速輻射；粒子（或帶電粒子）加速4.快風(fēng)；星風(fēng)（或慢風(fēng)）5.磁場(chǎng)；耀斑6.流星（或星塵）；中子星7.快速自轉(zhuǎn)三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：雙極發(fā)電機(jī)模型認(rèn)為，恒星內(nèi)部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)將隨機(jī)動(dòng)量輸運(yùn)到更深的層，使得等離子體元素在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致電流環(huán)產(chǎn)生，這些電流環(huán)自身產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，并通過動(dòng)量輸運(yùn)將磁場(chǎng)能量向外傳遞，形成閉合的正反饋循環(huán)。初始的微弱磁場(chǎng)（可能由早期擾動(dòng)或外源種子場(chǎng)產(chǎn)生）被對(duì)流和自轉(zhuǎn)加速放大，最終形成宏觀的雙極磁場(chǎng)。2.解析思路：強(qiáng)磁場(chǎng)可以使恒星表面的中性原子中的電子被高能光子激發(fā)或電離。當(dāng)這些被電離的電子重新結(jié)合時(shí)，會(huì)發(fā)射光子。這個(gè)過程（光致電離）需要消耗能量，這些能量最終以輻射的形式損失掉。磁場(chǎng)越強(qiáng)，能夠電離的電子越多，光致電離的能量損失也越顯著。這種能量損失機(jī)制對(duì)恒星的亮度、表面溫度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有重要影響。3.解析思路：主序星：通常自轉(zhuǎn)較快，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)（盡管強(qiáng)度隨年齡變化），發(fā)電機(jī)活躍。磁場(chǎng)主要通過光致電離等方式損失能量，驅(qū)動(dòng)相對(duì)較弱的恒星風(fēng)。磁場(chǎng)分布可能較均勻或呈現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。耀斑等活動(dòng)現(xiàn)象可能頻繁發(fā)生。紅巨星：自轉(zhuǎn)顯著減慢，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)效率降低，磁場(chǎng)強(qiáng)度通常比主序星弱得多。雖然質(zhì)量巨大，但磁場(chǎng)相對(duì)較弱，不足以驅(qū)動(dòng)強(qiáng)烈的恒星風(fēng)。磁場(chǎng)可能主要局限于內(nèi)部的對(duì)流區(qū)。表面活動(dòng)現(xiàn)象通常減弱。內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化，對(duì)流區(qū)擴(kuò)展至更深處。四、計(jì)算題1.公式：B_initial=C*sqrt(L/R3*P_rot)計(jì)算：B_initial=2.5×10??T·s*sqrt(1.0L☉/(1.0R☉)3*1day)B_initial=2.5×10??T·s*sqrt(1.0/(1.03)*1.0×10?s2)B_initial=2.5×10??T·s*sqrt(1.0×10?s2)B_initial=2.5×10??T·s*1.0×10?sB_initial=2.5×10?3T=2.5mT2.公式：B_giant=C*sqrt(L/R3*P_rot)計(jì)算：B_giant=2.5×10??T·s*sqrt(1.0L☉/(100R☉)3*100day)B_giant=2.5×10??T·s*sqrt(1.0/(10?R☉3)*1.0×10?s)B_giant=2.5×10??T·s*sqrt(1.0×10?1/R☉3*1.0×10?s)B_giant=2.5×10??T·s*sqrt(1.0×10?/101R☉3s)B_giant=2.5×10??T·s*sqrt(1.0×103/R☉3s)B_giant=2.5×10??T·s*(1.0×103/R☉3s)^(1/2)B_giant=2.5×10??T·s*(1.0×103)^(1/2)*(1/R☉3s)^(1/2)B_giant=2.5×10??T·s*1.0×101.5*R?1.5/2☉?1.5/2s?1/2B_giant=2.5×10??T·s*1.0×101.5*R??.75☉??.75s??.25B_giant=2.5×10??*1.0×101.5R??.75☉??.75s??.25TB_giant=2.5×10??.?R??.75☉??.75s??.25TB_giant=2.5×10??.?/(100R☉)?.375TB_giant=2.5×10??.?/100^0.375R☉??.375TB_giant=2.5×10??.?/5.623R??.375TB_giant≈0.445×10??.?R??.375TB_giant≈0.445×10??.??R??.375TB_giant≈4.45×10??R??.375TB_giant≈4.45×10??/(100^1/3)TB_giant≈4.45×10??/4.64TB_giant≈9.58×10??T=0.95μT3.解析：*計(jì)算結(jié)果：主序星表面磁場(chǎng)B_initial≈2.5mT，紅巨星表面磁場(chǎng)B_giant≈0.95μT。*變化：磁場(chǎng)強(qiáng)度顯著減弱，大約減弱了2.5/0.95≈2.6倍。*原因分析：*自轉(zhuǎn)減慢：紅巨星階段，恒星半徑急劇增大，而總角動(dòng)量大致守恒，導(dǎo)致自轉(zhuǎn)角速度急劇下降。雙極發(fā)電機(jī)模型的效率與自轉(zhuǎn)速度密切相關(guān)，自轉(zhuǎn)減慢直接導(dǎo)致磁場(chǎng)生成和維持能力大幅減弱。*對(duì)流區(qū)變化：紅巨星內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，對(duì)流區(qū)可能擴(kuò)展到更外層，發(fā)電機(jī)可能位于更深處，效率降低。*光度變化：雖然本題假設(shè)光度不變，但在實(shí)際演化中，光度變化也可能間接影響磁場(chǎng)。此外，磁場(chǎng)通過能量損失機(jī)制（如光致電離）本身也會(huì)消耗能量，影響恒星狀態(tài)。五、論述題解析思路：1.磁場(chǎng)產(chǎn)生與演化：對(duì)于像太陽(yáng)這樣的低質(zhì)量恒星，在其主序階段，內(nèi)部的對(duì)流區(qū)是磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)的主要場(chǎng)所。核心的核聚變產(chǎn)生能量，驅(qū)動(dòng)外層對(duì)流，將對(duì)流運(yùn)動(dòng)中的隨機(jī)動(dòng)量通過洛倫茲力輸送到更深的發(fā)電機(jī)區(qū)域。同時(shí)，恒星需要維持足夠的自轉(zhuǎn)速度（角速度大于某個(gè)臨界值，稱為阿爾文速度），才能將動(dòng)量輸運(yùn)有效地轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)。隨著恒星年齡增長(zhǎng)，核心逐漸消耗氫燃料，能量輸出中心上移，對(duì)流區(qū)的邊界隨之變化，這會(huì)影響發(fā)電機(jī)的效率。同時(shí)，恒星會(huì)逐漸損失角動(dòng)量，導(dǎo)致自轉(zhuǎn)減慢。這兩個(gè)因素共同作用，使得磁場(chǎng)強(qiáng)度在主序早期可能增強(qiáng)，但在主序晚期通常會(huì)逐漸減弱。2.能量損失與活動(dòng)：恒星磁場(chǎng)通過多種機(jī)制損失能量。光致電離是最重要的機(jī)制之一，特別是對(duì)于中等強(qiáng)度以下的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)產(chǎn)生的非熱輻射（如同步加速輻射）也會(huì)直接損失能量。這些能量損失過程反過來會(huì)影響恒星。例如，能量損失驅(qū)動(dòng)恒星風(fēng)，低質(zhì)量恒星的星風(fēng)相對(duì)較弱，但其速度可以很高，且磁場(chǎng)在其中扮演重要角色，可能將磁場(chǎng)線束縛在星風(fēng)中帶走。能量損失也使得磁場(chǎng)與等離子體相互作用，產(chǎn)生各種活動(dòng)現(xiàn)象，如光斑（暗于平均表面的區(qū)域）、耀斑（短暫的能量爆發(fā)）和日冕物質(zhì)拋射（大規(guī)模的日冕物質(zhì)外流）。這些活動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)度和頻率通常與磁場(chǎng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.磁場(chǎng)對(duì)演化的影響：磁場(chǎng)主要通過影響恒星的活動(dòng)和能量損失來間接影響其演化。*質(zhì)量損失：恒星風(fēng)將物質(zhì)從恒星表面帶走，改變恒星的質(zhì)量和半徑。磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)星風(fēng)，特別是對(duì)于后期演化階段的紅巨星，磁場(chǎng)可能成為主要的能量損失和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，顯著影響其質(zhì)量損失率。質(zhì)量損失率的變化會(huì)改變恒星的最終演化路徑，例如，快速質(zhì)量損失可能導(dǎo)致低質(zhì)量恒星過早