2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星系的形成與星團(tuán)的天體物質(zhì)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.根據(jù)冷暗物質(zhì)（CDM）模型，星系的主要質(zhì)量成分（暗物質(zhì)暈）在宇宙早期主要通過什么機(jī)制被引力捕獲？A.恒星形成直接產(chǎn)生的B.恒星風(fēng)和超新星爆發(fā)的反饋作用C.氣體云自身的引力坍縮D.與其他暗物質(zhì)暈或暗物質(zhì)子結(jié)構(gòu)的引力相互作用2.以下哪種觀測證據(jù)最有力地支持了星系合并是星系形態(tài)演化的重要機(jī)制？A.不同紅移星系的哈勃類型分布統(tǒng)計B.觀測到大量處于并合過程中的星系對C.活動星系核（AGN）與橢圓星系的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)D.星系盤面結(jié)構(gòu)的對稱性3.與球狀星團(tuán)相比，疏散星團(tuán)的主要特征之一是？A.成員星年齡普遍較老B.具有致密的核心和向外的密度遞減分布C.金屬豐度普遍較高D.在宿主星系中呈彌散分布4.在分析疏散星團(tuán)時，利用主序帶來估計星團(tuán)年齡的主要依據(jù)是？A.主序星的光譜類型與年齡的直接對應(yīng)關(guān)系B.主序帶在顏色-星等圖上的位置隨時間的變化C.主序星的質(zhì)量分布與星團(tuán)總質(zhì)量的關(guān)聯(lián)D.主序星的顏色與金屬豐度的關(guān)系5.對于一個由單星組成的星團(tuán)，其成員星最終的歸宿主要取決于其形成時的？A.星團(tuán)在星系中的位置B.星團(tuán)的總質(zhì)量C.成員恒星的質(zhì)量D.星團(tuán)的金屬豐度6.恒星哈勃序列（從S0到Im）主要反映的是星系的什么性質(zhì)？A.星系的總質(zhì)量B.星系中的恒星形成速率C.星系的光度（絕對星等）D.星系旋臂的存在與否7.恒星風(fēng)和超新星爆發(fā)等過程在星系演化中扮演重要角色，它們主要對星系內(nèi)的什么成分產(chǎn)生顯著影響？A.暗物質(zhì)暈B.星系盤和核球中的重元素豐度C.星系際介質(zhì)（GHI）的壓力和密度D.星系的整體光度二、填空題8.描述星系核中活動性高光度的天體稱為________，它們通常與超大質(zhì)量黑洞的存在相關(guān)。9.星系形成理論認(rèn)為，宇宙早期由冷暗物質(zhì)主導(dǎo)的引力不穩(wěn)定性首先形成________，然后這些暈吸引并束縛氣體，最終形成星系。10.根據(jù)觀測，大多數(shù)球狀星團(tuán)位于銀河系的________，并且其金屬豐度普遍________（高于/低于）同年齡的疏散星團(tuán)。11.通過分析星團(tuán)中不同質(zhì)量恒星演化的結(jié)局，可以推斷出該星團(tuán)形成的________。12.估計星團(tuán)距離的一種方法是利用星團(tuán)中位于________的成員星，通過與已知距離的模板星團(tuán)進(jìn)行比較來確定其顏色-星等。三、簡答題13.簡述冷暗物質(zhì)模型（CDM模型）在解釋星系形成和結(jié)構(gòu)方面的基本思想，并指出該模型面臨的主要挑戰(zhàn)之一。14.比較疏散星團(tuán)和球狀星團(tuán)在形成機(jī)制、成員星性質(zhì)（年齡、金屬豐度、質(zhì)量范圍）和空間分布上的主要區(qū)別。15.解釋什么是恒星反饋（包括恒星風(fēng)和超新星爆發(fā)），并說明恒星反饋如何在星系的形成和演化過程中發(fā)揮作用。四、計算題16.假設(shè)一個疏散星團(tuán)的主序帶在V波段和B波段上的平均星等分別為MV=+10.0mag和MB=+12.5mag。已知主序星的光譜類型大致對應(yīng)B-V色指數(shù)約為-0.65。忽略星際消光，試估算該星團(tuán)的距離。(提示：可以使用距離模數(shù)公式)17.一個質(zhì)量為1.0×10^6M☉的疏散星團(tuán)，其最質(zhì)量大的成員星是質(zhì)量為50M☉的藍(lán)巨星，其主序壽命約為1.0×10^7年。假設(shè)該星團(tuán)在其整個主序階段均勻地消耗了其成員星。試估算該星團(tuán)中初始質(zhì)量小于1M☉的恒星目前所占的比例。（提示：恒星質(zhì)量分布，如簡化的冪律分布，可以用于估算）五、論述題18.結(jié)合觀測證據(jù)，論述支持或反對星系合并是驅(qū)動大型旋渦星系形成和維持其旋臂結(jié)構(gòu)的重要因素的論據(jù)。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.D4.B5.C6.C7.C二、填空題8.活動星系核(或AGN)9.暗物質(zhì)暈10.核球(或Bulge);低于11.年齡12.主序帶三、簡答題13.解析思路：*CDM模型認(rèn)為宇宙早期存在大量無相互作用或弱相互作用的暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)形成密度波動的引力不穩(wěn)定性，首先在引力作用下形成暗物質(zhì)暈。*隨著宇宙膨脹，這些暗物質(zhì)暈逐漸增長并相互碰撞、合并，形成更大的結(jié)構(gòu)。*暈的中心區(qū)域引力勢阱吸引周圍的普通物質(zhì)（重子物質(zhì)），包括氣體，氣體在引力作用下坍縮，冷卻形成恒星，最終形成星系。*挑戰(zhàn)：預(yù)言的早期宇宙結(jié)構(gòu)形成速度過快，難以解釋星系和星系團(tuán)中觀測到的大尺度結(jié)構(gòu)；暗物質(zhì)本身性質(zhì)未知；難以完全解釋星系中心超大質(zhì)量黑洞的形成和增長等。14.解析思路：*形成機(jī)制：疏散星團(tuán)由同一片巨分子云中引力坍縮形成，形成時間相對較短；球狀星團(tuán)形成機(jī)制尚不完全清楚，可能涉及早期宇宙的引力坍縮，或在星系早期通過多次星系合并中的成員星聚集形成，形成時間通常非常古老。*成員星性質(zhì)：*年齡：疏散星團(tuán)成員星年齡通常相近，一般較年輕（幾億到幾百億年）；球狀星團(tuán)成員星年齡差異可能很大，但整體非常古老（萬億年以上）。*金屬豐度：疏散星團(tuán)成員星反映其形成環(huán)境的金屬豐度，通常與星系演化階段相關(guān)；球狀星團(tuán)金屬豐度普遍較低，且內(nèi)部存在金屬豐度梯度，中心偏低，向外逐漸升高。*質(zhì)量范圍：疏散星團(tuán)包含從低質(zhì)量星到質(zhì)量較大的星，質(zhì)量上限受主序壽命限制；球狀星團(tuán)包含從白矮星到中等質(zhì)量黑洞的各種質(zhì)量成員星，質(zhì)量上限可能更高。*空間分布：疏散星團(tuán)圍繞星系中心呈球狀或橢球狀分布，分布相對松散；球狀星團(tuán)通常密集地分布在星系核球或銀暈中，呈致密分布。15.解析思路：*恒星反饋是指恒星（特別是大質(zhì)量恒星）的生命周期和活動（如恒星風(fēng)、超新星爆發(fā)）對恒星形成區(qū)域和所在星系物理環(huán)境產(chǎn)生的影響。*作用機(jī)制：*恒星風(fēng)：攜帶能量和動量，將氣體向外推，影響氣體密度和溫度，調(diào)節(jié)恒星形成速率。*超新星爆發(fā)：產(chǎn)生沖擊波，將重元素（由恒星核合成）拋灑到星際介質(zhì)中，提高氣體金屬豐度；沖擊波可以壓縮周圍的冷氣體，觸發(fā)新的恒星形成（星爆）。*在星系形成中，反饋作用控制了氣體冷卻和恒星形成的效率，影響星系盤的維持和演化；在星系演化中，反饋作用可以抑制或觸發(fā)星系核的活性（如AGN），改變星系化學(xué)成分，影響星系合并的效率。四、計算題16.解析思路：*主序星的光譜類型大致對應(yīng)B-V≈-0.65。根據(jù)MV=+10.0mag,MB=+12.5mag，可得B-V=MB-MV=-12.5+10.0=-2.5。*估算主序星絕對星等MV*,使用(B-V)-(B*-V*)=-2.5-(-0.65)=-1.85。查主序星顏色-星等圖或表，得MV*≈+4.8mag。*距離模數(shù)公式m-M=5*log(d/pc)-5。代入m=MV=10.0,M=MV*=4.8，得10.0-4.8=5*log(d/pc)-5。*5.2=5*log(d/pc)-5=>10.2=5*log(d/pc)=>log(d/pc)=10.2/5=2.04。*d/pc=10^2.04≈111pc。距離d≈111pc。17.解析思路：*假設(shè)星團(tuán)中恒星質(zhì)量分布遵循簡單的冪律形式M^-αdN/dM，其中α為冪律指數(shù)（通常在0.5-1.5之間）。這是一個簡化模型。*星團(tuán)總質(zhì)量M_total=∫MdN/dM=∫MM^-αdM=∫M^(1-α)dM。積分結(jié)果為M_total∝∫M^(1-α)dM，對于有限質(zhì)量星團(tuán)，這個積分是有限的。*質(zhì)量小于m的恒星數(shù)目N(<m)=∫_0^mMdN/dM=∫_0^mMM^-αdM=∫_0^mM^(1-α)dM。*比例P(<m)=N(<m)/N_total=[∫_0^mM^(1-α)dM]/[∫_0^M_totalM^(1-α)dM]。*這個比例計算需要具體的α值和M_total。題目沒有給出M_total和α的具體值，無法給出精確數(shù)字解。*但可以定性說明：對于冪律分布，低質(zhì)量恒星占星團(tuán)總質(zhì)量的比重通常較大。題目給定了最質(zhì)量大的成員星質(zhì)量為50M☉，其主序壽命為1.0×10^7年。假設(shè)星團(tuán)中所有恒星的初始質(zhì)量分布大致符合此冪律模型，那么小于50M☉的恒星會占絕大多數(shù)。這個估算非常粗略，因為沒有給出具體的冪律指數(shù)α和星團(tuán)總質(zhì)量。五、論述題18.解析思路：*支持星系合并重要性的論據(jù)：*觀測證據(jù)：觀測到大量星系處于并合過程中（如星系對、星系鏈）；許多星系，特別是大型橢圓星系和透鏡狀星系，顯示出由年輕星團(tuán)和星爆星系組成的“年輕星系核”，其年齡和金屬豐度與合并事件時間一致；星系核和核球中的超大質(zhì)量黑洞普遍認(rèn)為是在并合過程中被注入或增長的；星系合并可以觸發(fā)強(qiáng)烈的恒星形成活動（星爆）；通過模擬，合并可以改變星系的形態(tài)（如形成棒狀結(jié)構(gòu)）、增加中央密度、改變旋臂模式等。*反對或補(bǔ)充論據(jù)（認(rèn)為合并并非唯一或主導(dǎo)因素）：*并合事件相對稀疏，難以解釋大型旋渦星系穩(wěn)定、精細(xì)的旋臂結(jié)構(gòu)。旋臂可能更多是引力不穩(wěn)定（如密度波理論）或局部恒星形成活動維持的。*許多星系（如仙女座星系）正在與宿主星系并合，但其旋臂結(jié)構(gòu)依然清晰可見，表明合并并非立即破壞旋臂。*恒星形成反饋作用在調(diào)節(jié)合并過程中的恒星形成效率和星系最終形態(tài)中扮