2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星系碰撞與星系形成研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)。）1.在星系碰撞過程中，導(dǎo)致星系中心區(qū)域恒星和氣體密度增高的主要力是：(A)中心黑洞的引力(B)潮汐力(C)動(dòng)力學(xué)摩擦(D)自轉(zhuǎn)離心力2.以下哪個(gè)天體系統(tǒng)是星系碰撞的經(jīng)典觀測案例，以其明顯的拖尾結(jié)構(gòu)而聞名？(A)仙女座星系和三角座星系(B)風(fēng)車星系（M81和M82）(C)雷神之錘星系（HerculesA）(D)渦狀星系（M51）3.星系碰撞中，導(dǎo)致碰撞星系之間氣體剝離、形成星流的主要機(jī)制是：(A)核星系合并(B)潮汐尾的形成(C)恒星間的直接碰撞(D)氣體云的阻尼效應(yīng)4.當(dāng)兩個(gè)氣體豐富的旋渦星系發(fā)生正面碰撞時(shí)，最可能的結(jié)果是：(A)兩個(gè)星系直接穿過對方，幾乎無相互作用(B)形成一個(gè)巨大的橢圓星系，幾乎沒有恒星形成活動(dòng)(C)觸發(fā)劇烈的恒星形成爆發(fā)，形成星暴星系(D)導(dǎo)致兩個(gè)星系迅速解體，物質(zhì)散逸到星際介質(zhì)中5.活動(dòng)星系核（AGN）的強(qiáng)烈活動(dòng)在星系碰撞與形成過程中可能扮演的角色包括：(A)通過噴流加熱碰撞中的氣體，抑制恒星形成(B)吞并伴星系的氣體和恒星，為自身提供燃料(C)吸收碰撞產(chǎn)生的能量，導(dǎo)致星系合并減速(D)以上都是6.在數(shù)值模擬中，為了追蹤星系碰撞中恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡，通常需要采用：(A)粒子模擬方法，將恒星視為點(diǎn)質(zhì)量(B)連續(xù)介質(zhì)模擬方法，將星系視為流體(C)幾何模型，精確計(jì)算每個(gè)恒星的碰撞(D)牛頓力學(xué)定律，解析求解所有恒星的運(yùn)動(dòng)7.以下哪種觀測波段對于探測星系碰撞中由恒星形成激波產(chǎn)生的熱氣體云最為有效？(A)X射線波段(B)紅外波段(C)可見光波段(D)射電波段8.星系碰撞過程中，導(dǎo)致星系盤傾斜和變形的主要原因是：(A)伴星系的引力擾動(dòng)(B)碰撞產(chǎn)生的角動(dòng)量交換(C)恒星形成速率的突然增加(D)核星系合并的輻射壓力9.“引力透鏡效應(yīng)”在星系碰撞與形成研究中的主要應(yīng)用是：(A)直接觀測碰撞星系內(nèi)部的恒星運(yùn)動(dòng)(B)提供觀測星系碰撞時(shí)隱匿物質(zhì)（暗物質(zhì)）分布的線索(C)測量宇宙膨脹速度(D)精確測定星系距離10.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的紅外觀測能力，對于研究星系碰撞與形成中的哪些方面具有重要意義？(A)探測被塵埃遮擋的星系核活動(dòng)和年輕恒星形成區(qū)(B)觀測高紅移星系的碰撞過程(C)精確測量碰撞星系的質(zhì)量分布(D)以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.星系碰撞中，由于引力作用導(dǎo)致物質(zhì)從星系密集區(qū)域被拉出的現(xiàn)象稱為________。2.當(dāng)兩個(gè)星系的中心黑洞在引力作用下并合時(shí)，會(huì)釋放出巨大的________能量。3.星系碰撞通常能顯著提高碰撞星系中________的形成速率。4.觀測表明，許多大型橢圓星系被認(rèn)為是通過________形成的。5.在模擬星系碰撞時(shí)，計(jì)算星系間氣體相互作用需要考慮________、________等效應(yīng)。6.活動(dòng)星系核（AGN）的中心通常是超大質(zhì)量________。7.星系碰撞導(dǎo)致的恒星形成激波可以加熱氣體，使其發(fā)出特定波長的________輻射。8.________波段觀測對于探測星系碰撞中由相對論性噴流產(chǎn)生的輻射非常重要。9.除了恒星和氣體，星系碰撞也會(huì)導(dǎo)致________（例如暗物質(zhì)暈）的相互作用和重新分布。10.“風(fēng)車星系”系統(tǒng)中的M82星系因受到M81星系的引力作用而被加速，并沿著一個(gè)方向延伸，形成了明顯的________。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述星系碰撞過程中“潮汐力”的主要作用。2.解釋什么是“核星系合并”，及其在星系演化中的意義。3.列舉并簡要說明星系碰撞能夠觸發(fā)恒星形成爆發(fā)的兩種主要機(jī)制。4.簡述射電觀測在研究星系碰撞與形成中的獨(dú)特作用。四、計(jì)算題（6分。請列出必要的公式和計(jì)算步驟。）假設(shè)有兩個(gè)質(zhì)量分別為M?=1×1011M☉和M?=5×101?M☉的星系，以相對速度v=500km/s沿著它們的質(zhì)心連線上方（垂直于連線方向）碰撞。忽略其他星系的影響，估算它們碰撞后中心之間的最短距離大約是多少？（引力常數(shù)G=6.674×10?11N·m2/kg2，太陽質(zhì)量M☉=1.989×103?kg，1km/s=103m/s）五、論述題（14分。請全面、深入地回答下列問題。）論述星系碰撞與相互作用對于理解星系從原初狀態(tài)演化到不同形態(tài)（如旋渦星系、橢圓星系）的過程有何重要性。請結(jié)合具體的物理機(jī)制、觀測證據(jù)以及不同類型碰撞可能產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.C5.D6.A7.A8.B9.B10.D二、填空題1.潮汐尾2.射電3.恒星4.星系碰撞（或潮汐剝離）5.氣體動(dòng)力學(xué)，恒星-恒星散射6.黑洞7.紅外8.射電9.暗物質(zhì)10.潮汐尾三、簡答題1.解析思路：潮汐力是引力在空間分布不均勻產(chǎn)生的效應(yīng)。在星系碰撞中，由于兩個(gè)星系不同部位的引力場強(qiáng)度不同，會(huì)使得星系中物質(zhì)被拉伸，特別是在連接兩個(gè)星系中心的“潮汐臂”區(qū)域，物質(zhì)被剝離形成潮汐尾。簡答題需要抓住核心：不均勻引力→拉伸→潮汐尾。答案要點(diǎn)：潮汐力源于引力場的不均勻性。在碰撞中，星系靠近一側(cè)的引力強(qiáng)于遠(yuǎn)側(cè)，導(dǎo)致物質(zhì)被拉伸，形成潮汐尾。2.解析思路：核星系合并指兩個(gè)星系中心區(qū)域（包含中心黑洞和密集的恒星）的合并過程。它是星系合并的最終階段，發(fā)生在主星系合并完成后，通常伴隨強(qiáng)烈的AGN活動(dòng)。理解其意義在于它是引力勢阱底部的最終狀態(tài)，并釋放大量能量。答案要點(diǎn)：核星系合并是兩個(gè)星系中心黑洞的并合過程。它是星系合并的終局階段，通常伴隨著劇烈的AGN活動(dòng)，向外界釋放大量能量，對宿主星系乃至所在星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)和演化產(chǎn)生重要影響。3.解析思路：碰撞觸發(fā)恒星形成主要依靠兩種機(jī)制：一是氣體被壓縮和加熱到恒星形成條件，二是引力擾動(dòng)使氣體云不穩(wěn)定碎裂。具體可分為氣體激波壓縮和引力不穩(wěn)定。答案要點(diǎn)：主要有兩種機(jī)制：一是碰撞產(chǎn)生的激波壓縮和加熱星系中的氣體，使其達(dá)到恒星形成的條件；二是碰撞的引力擾動(dòng)導(dǎo)致氣體云密度局部升高，達(dá)到引力不穩(wěn)定而發(fā)生碎裂，引發(fā)恒星形成。4.解析思路：射電波具有穿透塵埃的能力，因此對于觀測被星系盤內(nèi)塵埃遮擋的年輕恒星形成區(qū)、恒星形成爆發(fā)（星暴）以及相對論性噴流非常重要。這些是星系碰撞中常見的現(xiàn)象，射電觀測能提供獨(dú)特的診斷信息。答案要點(diǎn)：射電波可以穿透星系中大量吸收可見光和紅外輻射的塵埃，因此能探測到隱藏的年輕恒星形成區(qū)、星系碰撞引發(fā)的星暴核以及由中心黑洞活動(dòng)產(chǎn)生的相對論性噴流，為研究碰撞過程中的星形成和核活動(dòng)提供關(guān)鍵信息。四、計(jì)算題公式：引力勢能公式U=-G*M?*M?/r(當(dāng)r趨近于碰撞最近距離時(shí)，動(dòng)能近似為零，引力勢能最小，對應(yīng)力最大)計(jì)算步驟：1.計(jì)算相對速度方向上的初始引力勢能（以質(zhì)心為參考點(diǎn)）：U_initial=-G*M?*M?/d，其中d是兩星系初始質(zhì)心距離（遠(yuǎn)大于r，可忽略）。2.在碰撞最近距離r_min時(shí)，動(dòng)能最?。ǚ橇悖菽芨?fù)），設(shè)相對速度為v，則相對動(dòng)能K_min=0.5*(M?+M?)*v2。3.由能量守恒（忽略其他能量損失）：U_initial+K_initial=U_final+K_min。碰撞前K_initial較小，可近似為0。碰撞時(shí)K_min=0.5*(M?+M?)*v2。設(shè)r_min時(shí)的引力勢能為U_final，則U_initial≈U_final+K_min。4.r_min時(shí)的引力勢能U_final=-G*M?*M?/r_min。5.代入能量關(guān)系：-G*M?*M?/d≈-G*M?*M?/r_min+0.5*(M?+M?)*v2。6.整理得：G*M?*M?*(1/r_min-1/d)≈0.5*(M?+M?)*v2。7.由于d遠(yuǎn)大于r_min，1/d可忽略，得：G*M?*M?/r_min≈0.5*(M?+M?)*v2。8.解得r_min≈2*G*M?*M?/(0.5*(M?+M?)*v2)=4*G*M?*M?/(M?+M?)*v2。9.代入數(shù)值計(jì)算：r_min≈4*(6.674×10?11)*(1×1011*1.989×103?)*(5×101?*1.989×103?)/(1×1011+5×101?)*(500×103)2≈4*G*M_sun*(M?+M?)/(M?+M?/5)*v2≈4*G*M_sun*5/6*v2≈(4*6.674×10?11*1.989×103?*5/6)/(500×103)2≈(4*6.674*1.989*5/6)*(10?11*103?/10?*10?)≈(4*6.674*1.989*5/6)*101?≈4*42.84*101?≈171.36*101?m≈1.71×1021m注意：這是一個(gè)理想化的估算，未考慮引力波的輻射損失和星系并非點(diǎn)質(zhì)量等效應(yīng)。結(jié)果數(shù)量級為101?m或101?m可能更合理。簡化處理導(dǎo)致結(jié)果偏大。修正后更合理的估算：r_min≈4*G*M?*M?/(M?+M?)*v2≈4*(6.674×10?11)*(1×1011*1.989×103?)*(5×101?*1.989×103?)/((1+0.5)×1011*1.989×103?)*(500×103)2≈4*G*M_sun*5/1.5*v2≈(4*6.674*1.989*5/1.5)*(10?11*103?/10?*10?)≈(4*6.674*1.989*5/1.5)*101?≈4*44.16*101?≈176.64*101?m≈1.77×1021m最終答案（取近似值）：約為1.8×1021米，或約1.8百萬光年(Mpc)。五、論述題解析思路：論述題需要全面覆蓋碰撞與形成對星系演化的重要性。應(yīng)從基本理論（引力相互作用是主要驅(qū)動(dòng)力）、觀測事實(shí)（許多星系形態(tài)源于碰撞）、具體機(jī)制（碰撞如何改變星系結(jié)構(gòu)、成分、恒星形成、活動(dòng)核）、不同類型碰撞的差異性（質(zhì)量比、角度、碰撞階段）以及最終演化結(jié)果（形成橢圓星系、星系合并、觸發(fā)核活動(dòng)等）等多個(gè)維度展開。需要結(jié)合物理圖像和實(shí)例進(jìn)行闡述，體現(xiàn)知識的深度和廣度。答案要點(diǎn)：星系碰撞與相互作用是驅(qū)動(dòng)星系從原初狀態(tài)演化為不同形態(tài)的關(guān)鍵動(dòng)力過程，對理解星系演化至關(guān)重要。首先，從基本引力理論看，星系間的引力相互作用是導(dǎo)致碰撞與相互作用的根本原因。當(dāng)星系在宇宙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若足夠靠近，引力將改變它們的軌道，最終導(dǎo)致碰撞或長時(shí)間相互作用。觀測上，大量證據(jù)表明星系碰撞與形成密切相關(guān)。例如，許多旋渦星系擁有明顯的棒狀結(jié)構(gòu)，普遍認(rèn)為是由星系相互作用引發(fā)的引力擾動(dòng)造成的。許多橢圓星系被認(rèn)為是通過多個(gè)星系的合并（星系團(tuán)中的碰撞尤為普遍）形成的，其盤狀結(jié)構(gòu)已被破壞，恒星隨機(jī)分布。此外，觀測到大量處于碰撞過程中的星系對和星系鏈，其形態(tài)扭曲、伴星系拖尾、星流等現(xiàn)象都是碰撞的直接證據(jù)。碰撞過程通過多種物理機(jī)制深刻改變星系。引力作用導(dǎo)致星系結(jié)構(gòu)被扭曲、拉伸，氣體被壓縮或剝離