2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——恒星質(zhì)量與演化關(guān)系研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、定義以下術(shù)語：1.恒星主序階段2.錢德拉塞卡極限3.愛丁頓極限4.漸近巨星支（AGB）5.行星狀星云二、選擇正確的選項(xiàng)填在括號(hào)內(nèi)：1.恒星在其生命歷程中，產(chǎn)生能量的主要過程是（）。a)核聚變b)核裂變c)化學(xué)反應(yīng)d)光合作用2.以下哪種類型的恒星最終會(huì)形成黑洞？（）a)低質(zhì)量紅矮星b)中等質(zhì)量恒星c)大質(zhì)量藍(lán)超巨星d)白矮星3.決定恒星最終演化路徑的最關(guān)鍵因素是（）。a)恒星的化學(xué)成分b)恒星形成的地點(diǎn)c)恒星的質(zhì)量d)恒星的年齡4.當(dāng)一個(gè)中等質(zhì)量恒星耗盡其核心的氫燃料后，其外層會(huì)膨脹變紅，進(jìn)入（）。a)主序階段b)紅巨星階段c)白矮星階段d)超新星爆發(fā)階段5.錢德拉塞卡極限主要限制了（）。a)恒星的最大半徑b)恒星的最大質(zhì)量c)恒星的最小密度d)恒星的核心溫度三、請將下列恒星類型與其典型演化階段用字母連接起來：A.主序星B.紅巨星/超巨星C.白矮星D.中子星E.黑洞1.()-恒星生命最漫長、最穩(wěn)定的階段，核心進(jìn)行氫核聚變。2.()-恒星核心耗盡燃料，外層膨脹、冷卻、變紅，體積急劇增大。3.()-大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后留下的致密核心，密度極高。4.()-恒星演化的最終階段（對于中等及以下質(zhì)量恒星），由碳氧核心構(gòu)成，依靠電子簡并壓力支撐。5.()-超大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后留下的極端致密核心，引力壓垮所有已知力，形成奇點(diǎn)。四、簡答題：1.簡述恒星質(zhì)量是如何影響其主序階段壽命的。2.解釋什么是核反應(yīng)鏈，并簡要說明在像太陽這樣的中等質(zhì)量恒星中，氫燃燒主要涉及哪些反應(yīng)。3.錢德拉塞卡極限為何重要？它對大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星的最終歸宿有何不同影響？4.描述一下大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星在演化結(jié)束時(shí)的主要區(qū)別。五、論述題：結(jié)合恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本原理（如流體靜力學(xué)平衡、能量運(yùn)輸），論述恒星質(zhì)量是如何決定其整個(gè)演化歷史和最終命運(yùn)的過程。在論述中，請?zhí)貏e提及關(guān)鍵的質(zhì)量限值（如錢德拉塞卡極限）及其物理意義。試卷答案一、定義以下術(shù)語：1.恒星主序階段：恒星在其生命周期中，核心主要進(jìn)行氫核聚變（主要是質(zhì)子-質(zhì)子鏈或CNO循環(huán)）以產(chǎn)生能量的穩(wěn)定階段。大部分恒星都處于此階段，并遵循主序定理，其光度與質(zhì)量呈近似立方關(guān)系。2.錢德拉塞卡極限：由蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡推導(dǎo)出的理論上限，即一個(gè)只依靠電子簡并壓力支撐的白矮星，其最大質(zhì)量約為1.4倍太陽質(zhì)量（M☉）。超過此質(zhì)量，電子簡并壓力無法平衡引力，白矮星將不穩(wěn)定并發(fā)生坍縮。3.愛丁頓極限：恒星表面所能承受的最大輻射壓強(qiáng)，由阿瑟·愛丁頓提出。它限制了恒星的最大光度與質(zhì)量的比值。當(dāng)恒星試圖超過此極限時(shí)，強(qiáng)烈的恒星風(fēng)會(huì)將物質(zhì)吹散，防止恒星無限膨脹。對于主序星，此極限通常比實(shí)際光度高得多。4.漸近巨星支（AGB）：恒星在核心氦耗盡后，核心外層開始收縮加熱氦殼，同時(shí)外層物質(zhì)快速膨脹、冷卻，進(jìn)入的一個(gè)體積巨大、亮度較高且不穩(wěn)定的演化階段。在此階段，恒星外殼發(fā)生劇烈的核反應(yīng)，產(chǎn)生各種重元素和分子，并通過強(qiáng)大的恒星風(fēng)損失大量質(zhì)量。5.行星狀星云：中等質(zhì)量恒星（小于約8-10倍太陽質(zhì)量）在核心變成白矮星、外層物質(zhì)被拋射出去后形成的稀薄、高溫、具有美麗形態(tài)的氣體和塵埃云。核心白矮星位于星云中心，對其加熱，使內(nèi)層氣體發(fā)出強(qiáng)紫外輻射，電離外層氣體，產(chǎn)生發(fā)射線光譜。二、選擇正確的選項(xiàng)填在括號(hào)內(nèi)：1.()a)核聚變*解析：恒星通過核心區(qū)域的核聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦，并在此過程中釋放巨大的能量，這是恒星發(fā)光發(fā)熱的根本原因。2.()c)大質(zhì)量藍(lán)超巨星*解析：只有質(zhì)量足夠大的恒星（通常大于8-10倍太陽質(zhì)量）才有足夠的引力將其核心壓縮到極高的溫度和密度，從而點(diǎn)燃碳氧核聚變及更重的元素鏈反應(yīng)。這些大質(zhì)量恒星最終會(huì)因引力坍縮而發(fā)生超新星爆發(fā)，留下的核心如果質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限，就會(huì)形成黑洞。3.()c)恒星的質(zhì)量*解析：恒星的質(zhì)量決定了其核心的引力壓縮程度、核心溫度和壓力，進(jìn)而決定了核反應(yīng)的速率和種類。質(zhì)量是區(qū)分恒星不同演化路徑和最終命運(yùn)的最根本因素。4.()b)紅巨星階段*解析：當(dāng)中等質(zhì)量恒星核心的氫燃料被耗盡后，核心收縮釋放熱量，導(dǎo)致外層急劇膨脹和冷卻，使其呈現(xiàn)紅色，體積和光度顯著增加，進(jìn)入紅巨星階段。5.()b)恒星的最大質(zhì)量*解析：錢德拉塞卡極限是白矮星所能承受的最大質(zhì)量上限。對于質(zhì)量超過此極限的白矮星，電子簡并壓力無法抵抗引力，核心會(huì)不穩(wěn)定并發(fā)生災(zāi)難性坍縮，通常導(dǎo)致超新星爆發(fā)或形成中子星/黑洞。三、請將下列恒星類型與其典型演化階段用字母連接起來：A.主序星-1.()-恒星生命最漫長、最穩(wěn)定的階段，核心進(jìn)行氫核聚變。B.紅巨星/超巨星-2.()-恒星核心耗盡燃料，外層膨脹、冷卻、變紅，體積急劇增大。C.白矮星-4.()-恒星演化的最終階段（對于中等及以下質(zhì)量恒星），由碳氧核心構(gòu)成，依靠電子簡并壓力支撐。D.中子星-3.()-大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后留下的致密核心，密度極高。E.黑洞-5.()-超大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)后留下的極端致密核心，引力壓垮所有已知力，形成奇點(diǎn)。四、簡答題：1.簡述恒星質(zhì)量是如何影響其主序階段壽命的。*解析：恒星在主序階段通過核心的氫核聚變產(chǎn)生能量，維持與引力的平衡。根據(jù)恒星結(jié)構(gòu)理論，恒星的光度（L）與其質(zhì)量（M）的關(guān)系大致為L∝M3（對于主序星）。恒星消耗氫的速率與其核心溫度和密度有關(guān)，而核心溫度和密度又與質(zhì)量密切相關(guān)，大致成正比關(guān)系（M∝Tcore∝ρcore）。因此，質(zhì)量越大的恒星，其核心溫度和密度越高，氫核聚變的速率越快，消耗氫燃料的速率也越快，總能量輸出越多（光度越高）。同時(shí)，根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，維持更高光度需要消耗更多的質(zhì)量。綜合來看，恒星質(zhì)量越大，主序壽命越短；反之，質(zhì)量越小，主序壽命越長。大致上，主序壽命（tmain）與質(zhì)量（M）的關(guān)系為tmain∝M/L∝M?2.5。2.解釋什么是核反應(yīng)鏈，并簡要說明在像太陽這樣的中等質(zhì)量恒星中，氫燃燒主要涉及哪些反應(yīng)。*解析：核反應(yīng)鏈?zhǔn)侵冈诤阈呛诵牡母邷馗邏簵l件下，一種原子核通過一系列連續(xù)的核反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)變成另一種穩(wěn)定或不同種類的原子核的過程。這些反應(yīng)通常釋放大量能量。在像太陽這樣的中等質(zhì)量恒星中，核心溫度約為1500萬開爾文，主要進(jìn)行的是質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)（p-p鏈）。此鏈反應(yīng)的初始反應(yīng)是4個(gè)氫核（質(zhì)子，p）經(jīng)過以下步驟轉(zhuǎn)化為1個(gè)氦核（α粒子，即氦-4原子核）：1.p+p→D+e?+ν?(+能量)2.p+D→3He(+能量)3.3He+3He→?He+2p(+能量)其中，D是氘核，e?是正電子，ν?是電子中微子。整個(gè)p-p鏈的凈反應(yīng)是4p→?He+2e?+2ν?+26.7MeV。CNO循環(huán)（碳氮氧循環(huán)）在更高溫度（約2000萬K以上）的恒星中更為重要，也是將氫轉(zhuǎn)化為氦的途徑，但太陽核心溫度尚未高到足以使CNO循環(huán)成為主要過程。3.解釋什么是錢德拉塞卡極限，并說明它對大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星的最終歸宿有何不同影響？*解析：錢德拉塞卡極限（約1.4M☉）是一個(gè)理論值，代表一個(gè)只依靠電子簡并壓力（由泡利不相容原理產(chǎn)生）來對抗自身引力的白矮星的最大質(zhì)量。當(dāng)白矮星的質(zhì)量低于此極限時(shí)，電子簡并壓力足以平衡引力，使其穩(wěn)定存在。當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到或超過此極限時(shí)，電子簡并壓力無法再有效抵抗引力，核心物質(zhì)將發(fā)生災(zāi)難性的引力坍縮。對于小質(zhì)量恒星（最終形成白矮星），在其演化末期，如果質(zhì)量不超過錢德拉塞卡極限，它會(huì)通過輻射和恒星風(fēng)損失質(zhì)量，最終穩(wěn)定成一個(gè)白矮星。對于大質(zhì)量恒星，當(dāng)其核心燃料耗盡后，其外層會(huì)發(fā)生劇烈的超新星爆發(fā)，將大部分質(zhì)量拋入空間。如果爆發(fā)的核心殘?。ê诵馁|(zhì)量）超過錢德拉塞卡極限，那么引力坍縮將無法被電子簡并壓力阻止，會(huì)繼續(xù)坍縮，最終可能形成中子星（如果核心質(zhì)量在錢德拉塞卡極限與奧本海默極限之間）或黑洞（如果核心質(zhì)量超過奧本海默極限）。4.描述一下大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星在演化結(jié)束時(shí)的主要區(qū)別。*解析：大質(zhì)量恒星和小質(zhì)量恒星在演化結(jié)束時(shí)的主要區(qū)別體現(xiàn)在核心最終形成的致密天體類型、演化過程中的能量釋放方式以及損失的質(zhì)量數(shù)量上。小質(zhì)量恒星（<~8M☉）在耗盡核心燃料后，外層膨脹變紅形成紅巨星，最終將外層物質(zhì)拋射成行星狀星云，留下由碳和氧構(gòu)成的核心，依靠電子簡并壓力支撐，形成白矮星。其整個(gè)演化過程相對“溫和”，大部分質(zhì)量損失發(fā)生在紅巨星階段。大質(zhì)量恒星（>~8M☉）演化過程更為劇烈。它們核心溫度和壓力極高，能點(diǎn)燃一系列從氫到鐵的核反應(yīng)鏈。在核心形成鐵核后，由于鐵核聚變不釋放能量反而吸收能量，核心不再能產(chǎn)生足夠的能量支撐自身，引力坍縮引發(fā)劇烈的超新星爆發(fā)，將大部分外層物質(zhì)以極高速度拋射到太空中，形成美麗的超新星遺跡。超新星爆發(fā)的核心殘?。ǚQ為“中核”）會(huì)繼續(xù)坍縮。如果中核質(zhì)量小于奧本海默極限（約3M☉），最終會(huì)形成致密的中子星，由強(qiáng)大的neutrondegeneracypressure支撐。如果中核質(zhì)量超過奧本海默極限，neutrondegeneracypressure也會(huì)失效，引力將徹底壓垮一切已知的物質(zhì)阻力，形成一個(gè)沒有實(shí)體表面、只有極端引力場和奇點(diǎn)的黑洞。五、論述題：結(jié)合恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本原理（如流體靜力學(xué)平衡、能量運(yùn)輸），論述恒星質(zhì)量是如何決定其整個(gè)演化歷史和最終命運(yùn)的過程。在論述中，請?zhí)貏e提及關(guān)鍵的質(zhì)量限值（如錢德拉塞卡極限）及其物理意義。請從恒星形成、主序階段、結(jié)束階段分別闡述。*解析：恒星的質(zhì)量是其演化歷程的核心決定因素，這源于恒星內(nèi)部必須滿足的兩個(gè)基本條件：流體靜力學(xué)平衡和能量運(yùn)輸。流體靜力學(xué)平衡要求核心產(chǎn)生的向內(nèi)引力被核心外部的壓強(qiáng)所平衡。能量必須從核心（產(chǎn)生處）輸送到恒星表面（排放處），以維持穩(wěn)定狀態(tài)。恒星質(zhì)量直接影響這兩個(gè)條件的滿足方式和演化終點(diǎn)。1.恒星形成階段：恒星起源于星際云中的引力坍縮。坍縮形成的原恒星云塊的質(zhì)量決定了其最終的恒星質(zhì)量。質(zhì)量較小的云塊形成的恒星，其核心引力較弱，達(dá)到流體靜力學(xué)平衡所需的核心溫度和密度也較低。質(zhì)量較大的云塊形成的恒星，核心引力更強(qiáng)，需要更高的溫度和密度來建立平衡。2.主序階段：恒星進(jìn)入主序階段后，核心主要通過氫核聚變（p-p鏈或CNO循環(huán)）產(chǎn)生能量。質(zhì)量決定了核心的密度和溫度，進(jìn)而決定了核反應(yīng)的速率和類型。根據(jù)流體靜力學(xué)平衡和能量運(yùn)輸?shù)囊?，質(zhì)量越大的恒星，其主序壽命越短。這是因?yàn)樗鼈児舛雀撸↙∝M3），消耗燃料更快，同時(shí)核心反應(yīng)速率更快，引力收縮更劇烈。主序階段的演化路徑主要由質(zhì)量決定。3.結(jié)束階段：當(dāng)恒星耗盡核心的氫燃料后，演化路徑發(fā)生根本性分化，這再次由質(zhì)量決定。*小質(zhì)量恒星（<~8M☉）：核心停止聚變收縮，核心外層受熱膨脹，形成紅巨星。核心溫度升高，點(diǎn)燃氦核聚變（通常為氦閃），之后可能經(jīng)歷碳、氧等元素殼層燃燒。最終，外層物質(zhì)通過恒星風(fēng)被剝離，形成行星狀星云，核心暴露出來，成為白矮星。白矮星依靠電子簡并壓力支撐，不再進(jìn)行核聚變，逐漸冷卻變暗。其最終命運(yùn)受限于錢德拉塞卡極限。如果白矮星的質(zhì)量超過此極限（例如通過吸積或雙星相互作用），引力將勝過電子簡并壓力，導(dǎo)致災(zāi)難性坍縮。*中等質(zhì)量恒星（~8-10M☉）：演化類似小質(zhì)量恒星，但最終形成的白矮星質(zhì)量可能接近錢德拉塞卡極限。結(jié)局同樣是通過恒星風(fēng)失去外層，留下白矮星。*大質(zhì)量恒星（>~8M☉）：演化迅速，核心能點(diǎn)燃一系列重元素鏈反應(yīng)直至鐵。鐵核形成后，聚變停止，核心失穩(wěn)并發(fā)生引力坍縮，引發(fā)劇烈的超新星爆發(fā)（如核心坍縮型超新星SNII或SNIb/c）。大部分質(zhì)量被拋射出去，留下致密的核心殘骸。錢德拉塞卡極限在此階段的意義在于，它定義了中等質(zhì)量恒星最終形成的白矮星質(zhì)量上限，而大質(zhì)量恒星則會(huì)超越這個(gè)極限。核心殘骸的質(zhì)量決定了最終命運(yùn)：如果殘