北京大學(xué)2025年強(qiáng)基計(jì)劃天體物理試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.解釋恒星主序階段能量來(lái)源及其核心發(fā)生的物理過(guò)程。2.描述恒星離開(kāi)主序后可能經(jīng)歷的演化路徑，并說(shuō)明影響其最終命運(yùn)的主要因素。3.簡(jiǎn)述白矮星、中子星和黑洞這三種致密天體形成的條件與主要物理特性差異。二、1.根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，估算一個(gè)質(zhì)量為2×103?kg的中子星（假設(shè)其全部質(zhì)量都是中子）的等效能量。2.簡(jiǎn)述開(kāi)普勒第三定律在天體物理學(xué)中的應(yīng)用，并說(shuō)明如何利用該定律估算恒星或雙星系統(tǒng)的質(zhì)量。3.定義光度（Luminosity），并說(shuō)明其與距離（d）的關(guān)系，解釋為什么我們觀測(cè)到的天體亮度會(huì)隨距離變化。三、1.描述宇宙大爆炸核合成理論預(yù)言的早期宇宙元素豐度，并簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果（如光譜分析）如何支持這一理論。2.解釋哈勃定律（Hubble'sLaw）的內(nèi)容及其意義，說(shuō)明哈勃常數(shù)（H?）的物理含義。3.簡(jiǎn)述暗物質(zhì)（DarkMatter）和暗能量（DarkEnergy）的概念，并說(shuō)明它們各自在宇宙結(jié)構(gòu)形成和宇宙加速膨脹現(xiàn)象中可能扮演的角色。四、1.解釋光行差（Aberration）現(xiàn)象的物理原因，并說(shuō)明其如何提供了地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的證據(jù)。2.描述射電天文學(xué)的基本原理，并舉例說(shuō)明射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到哪些天體或天體現(xiàn)象。3.簡(jiǎn)述類星體（Quasar）的性質(zhì)，并解釋為什么類星體被認(rèn)為是研究早期宇宙的重要探針。試卷答案一、1.恒星主序階段能量來(lái)源是核心發(fā)生的核聚變反應(yīng)，主要是氫核聚變成氦核（質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)或碳氮氧循環(huán)），這個(gè)過(guò)程會(huì)釋放巨大的能量，根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，微小的質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化為了能量。2.恒星離開(kāi)主序后，核心氫燃料耗盡，核心會(huì)收縮增溫，外層會(huì)膨脹冷卻，變成紅巨星。其演化路徑取決于剩余質(zhì)量：如果質(zhì)量小于約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，會(huì)演化為白矮星；如果質(zhì)量在1.4至3倍太陽(yáng)質(zhì)量之間，會(huì)經(jīng)歷超新星爆發(fā)，留下中子星；如果質(zhì)量大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量，核心會(huì)進(jìn)一步坍縮，形成黑洞。3.白矮星是由低質(zhì)量恒星（<1.4M☉）核聚變停止后剩下的核心形成的，密度極高但體積較小，依靠電子簡(jiǎn)并壓力支撐，不再發(fā)生能量生成，會(huì)緩慢冷卻。中子星是由中等質(zhì)量恒星（1.4-3M☉）超新星爆發(fā)后留下的核心形成的，由中子簡(jiǎn)并壓力支撐，密度比白矮星更高，體積更小，通?？焖傩D(zhuǎn)，并可能具有強(qiáng)磁場(chǎng)。黑洞是由大質(zhì)量恒星（>3M☉）核心坍縮形成的，其引力極強(qiáng)，連光都無(wú)法逃脫，沒(méi)有表面，體積無(wú)限?。ㄆ纥c(diǎn)）或接近無(wú)限小。二、1.根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，能量E=(2×103?kg)×(3×10?m/s)2=1.8×10??J。2.開(kāi)普勒第三定律在天體物理學(xué)中用于計(jì)算天體（如行星、衛(wèi)星）的軌道參數(shù)或雙星系統(tǒng)的質(zhì)量和距離。對(duì)于繞同一中心天體運(yùn)行的小天體，其軌道半長(zhǎng)軸（a）的立方與其公轉(zhuǎn)周期（P）的平方之比等于常數(shù)（k=GMцентр/4π2），其中G為引力常數(shù)，M為中心天體質(zhì)量。通過(guò)觀測(cè)得到a和P，可以反算出M。對(duì)于雙星系統(tǒng)，兩顆星圍繞共同質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，開(kāi)普勒第三定律適用于其中一顆星繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，其a和P可以測(cè)量，結(jié)合質(zhì)心位置關(guān)系可以解算出兩顆星的質(zhì)量。3.光度是指天體本身輻射的總能量功率。根據(jù)光度定律，一個(gè)點(diǎn)源發(fā)出的光通量（單位面積接收到的功率）與其距離的平方成反比（F=L/4πd2）。因此，我們觀測(cè)到的天體亮度（視星等或視亮度）會(huì)隨著距離的增加而急劇減弱。這是因?yàn)楣庠趥鞑ミ^(guò)程中會(huì)能量衰減。三、1.宇宙大爆炸核合成理論預(yù)言，在宇宙早期（約幾分鐘內(nèi)），在溫度和密度極高的情況下，夸克-膠子等離子體冷卻至千度時(shí)，質(zhì)子和中子結(jié)合成氫、氦及少量鋰。理論計(jì)算預(yù)測(cè)宇宙現(xiàn)存的輕元素（氫、氦、鋰）豐度與溫度、初始條件等吻合。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)通過(guò)分析來(lái)自遙遠(yuǎn)星系、恒星大氣、星際介質(zhì)以及宇宙微波背景輻射的光譜，精確測(cè)量了這些輕元素的豐度，結(jié)果與理論預(yù)言高度一致，從而有力支持了大爆炸核合成理論。2.哈勃定律的內(nèi)容是：星系的紅移量（或退行速度v）與其距離（d）成正比，即v=H?d，其中H?是哈勃常數(shù)。其意義在于揭示了宇宙正在膨脹，所有星系都在遠(yuǎn)離我們，且距離越遠(yuǎn)，退行速度越快。哈勃常數(shù)H?的物理含義是宇宙膨脹的當(dāng)前速率，表示單位距離上星系的平均退行速度，其數(shù)值的精確測(cè)定對(duì)于估算宇宙年齡、物質(zhì)密度等關(guān)鍵宇宙學(xué)參數(shù)至關(guān)重要。3.暗物質(zhì)是一種不與電磁力發(fā)生作用或作用極其微弱、不發(fā)光、不吸收光、不反射光的假設(shè)性物質(zhì)形式，其存在主要通過(guò)引力效應(yīng)被間接探測(cè)到。觀測(cè)證據(jù)包括星系旋轉(zhuǎn)曲線異常（外圍恒星速度過(guò)快）、星系團(tuán)引力透鏡效應(yīng)（光線彎曲增強(qiáng)）、宇宙微波背景輻射各向異性模式等。暗能量是一種假設(shè)性的能量形式，被認(rèn)為是彌漫在全宇宙空間、導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。其存在可以通過(guò)觀測(cè)宇宙加速膨脹得到間接證據(jù)，也可能與真空能量有關(guān)。四、1.光行差是地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，使得觀測(cè)者看天體時(shí)其方向會(huì)周期性地相對(duì)于“固定”背景星空發(fā)生微小擺動(dòng)（像船桅在行船上看波浪一樣）。其物理原因是地球的視運(yùn)動(dòng)方向隨時(shí)間變化。光行差現(xiàn)象最早由第谷·布拉赫觀測(cè)到，后被開(kāi)普勒解釋，它明確證明了地球是運(yùn)動(dòng)的，為日心說(shuō)提供了重要的天文觀測(cè)證據(jù)。2.射電天文學(xué)利用射電望遠(yuǎn)鏡接收來(lái)自天體的無(wú)線電波進(jìn)行觀測(cè)。無(wú)線電波可以穿透可見(jiàn)光無(wú)法穿透的塵埃和氣體云，因此射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到或受到遮擋的天體和現(xiàn)象，如分子云、星周盤、超新星遺跡、脈沖星、活動(dòng)星系核（AGN）、類星體、宇宙微波背景輻射等。其基本原理是：射電望遠(yuǎn)鏡通常由一個(gè)大孔徑的拋物面反射鏡和位于焦點(diǎn)處的接收機(jī)組成，用于收集和放大天體射電信號(hào)。3.類星體是宇宙中光度極高（比普通星系亮得多）的天體，外觀類似恒星（Quasar意為“類星體”），實(shí)際上是由一個(gè)活動(dòng)的星系核（AGN）發(fā)出的強(qiáng)大輻射所產(chǎn)生的。其能量來(lái)源于