2025年天文學(xué)與空間科學(xué)考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.恒星光譜分類中，表面溫度最高的光譜型是（）A.M型B.A型C.B型D.O型答案：D解析：恒星光譜型按溫度從高到低排列為O、B、A、F、G、K、M，O型星表面溫度通常超過30000K，是溫度最高的光譜型。2.以下哪項(xiàng)是太陽活動(dòng)的最基本標(biāo)志？（）A.日珥B.太陽耀斑C.太陽黑子D.日冕物質(zhì)拋射答案：C解析：太陽黑子是太陽活動(dòng)的基本標(biāo)志，其數(shù)量和位置的周期性變化（約11年周期）直接反映太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱。3.關(guān)于系外行星“熱木星”的描述，正確的是（）A.軌道周期長于100天B.主要通過凌日法發(fā)現(xiàn)C.密度接近地球D.表面溫度低于500K答案：B解析：熱木星是類木行星，軌道周期短（通常小于10天），因離恒星近、表面溫度高（可達(dá)1000K以上）得名。其短周期特性使其更容易被凌日法（恒星亮度周期性下降）或徑向速度法探測到。4.宇宙微波背景輻射（CMB）的發(fā)現(xiàn)支持了以下哪種宇宙學(xué)理論？（）A.穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型B.大爆炸宇宙模型C.等級(jí)式宇宙模型D.量子引力宇宙模型答案：B解析：CMB是大爆炸理論預(yù)言的“余輝”，其黑體譜特性（約2.725K）、各向同性（微小漲落）為大爆炸模型提供了關(guān)鍵證據(jù)。5.以下哪項(xiàng)不屬于廣義相對論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？（）A.水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)B.光線在引力場中的偏折C.引力紅移D.恒星視差測量答案：D解析：恒星視差是利用三角法測量恒星距離的經(jīng)典方法，屬于幾何天文學(xué)范疇，與廣義相對論無關(guān)；其余選項(xiàng)均為廣義相對論的經(jīng)典驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。6.關(guān)于奧爾特云（OortCloud）的描述，錯(cuò)誤的是（）A.位于太陽系最外層B.主要由冰質(zhì)天體組成C.是短周期彗星的發(fā)源地D.距離太陽約5萬至10萬天文單位答案：C解析：奧爾特云是長周期彗星（軌道周期>200年）的儲(chǔ)存庫，短周期彗星（如哈雷彗星）主要來自柯伊伯帶。7.以下哪種天體的形成與“吸積盤”無關(guān)？（）A.原恒星B.類星體C.中子星D.白矮星答案：D解析：白矮星是低質(zhì)量恒星演化末期的產(chǎn)物，通過拋射外層形成行星狀星云后留下致密核心，其形成不依賴吸積盤；原恒星（星際云坍縮吸積）、類星體（超大質(zhì)量黑洞吸積盤）、中子星（超新星遺跡吸積或雙星系統(tǒng)吸積）均與吸積盤相關(guān)。8.哈勃常數(shù)H?的單位是（）A.km/s·MpcB.pc/s·kmC.m2/kg·sD.無單位答案：A解析：哈勃定律v=H?d中，v為退行速度（單位km/s），d為距離（單位Mpc，百萬秒差距），因此H?的單位是km/(s·Mpc)。9.以下哪項(xiàng)是引力波的主要產(chǎn)生機(jī)制？（）A.恒星表面的熱對流B.致密天體并合（如雙黑洞、雙中子星）C.太陽耀斑爆發(fā)D.星際介質(zhì)的湍流運(yùn)動(dòng)答案：B解析：引力波是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以波的形式傳播，主要由大質(zhì)量致密天體的加速運(yùn)動(dòng)（如雙黑洞并合、中子星碰撞）產(chǎn)生；其余選項(xiàng)能量不足以產(chǎn)生可探測的引力波。10.中國“嫦娥六號(hào)”任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)是（）A.月面巡視探測B.月球南極采樣返回C.月基天文觀測D.月球背面軟著陸答案：B解析：嫦娥六號(hào)計(jì)劃在月球南極區(qū)域采集月壤樣本并返回地球，重點(diǎn)研究月球南極的水冰分布及演化歷史。11.關(guān)于主序星的描述，正確的是（）A.核心進(jìn)行氦聚變B.質(zhì)量越大，壽命越長C.處于流體靜力學(xué)平衡狀態(tài)D.表面溫度與質(zhì)量成反比答案：C解析：主序星的核心通過氫聚變?yōu)楹め尫拍芰浚幱谝κ湛s與輻射壓力的平衡（流體靜力學(xué)平衡）；質(zhì)量越大，核燃料消耗越快，壽命越短；表面溫度與質(zhì)量正相關(guān)（質(zhì)光關(guān)系L∝M3·?）。12.以下哪種方法無法用于測量銀河系的質(zhì)量？（）A.觀測恒星繞銀心的軌道速度B.分析星系旋轉(zhuǎn)曲線C.測量球狀星團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度D.計(jì)算主序星的核反應(yīng)率答案：D解析：銀河系質(zhì)量通常通過動(dòng)力學(xué)方法（如恒星/星團(tuán)軌道速度、旋轉(zhuǎn)曲線）估算；主序星核反應(yīng)率反映其光度與壽命，與星系整體質(zhì)量無關(guān)。13.類星體（Quasar）的本質(zhì)是（）A.年輕的大質(zhì)量恒星B.活動(dòng)星系核（AGN）C.超新星遺跡D.星際分子云答案：B解析：類星體是活動(dòng)星系核的一種，其極高光度源于中央超大質(zhì)量黑洞（10?-101?M☉）吸積周圍物質(zhì)時(shí)釋放的引力能。14.以下哪項(xiàng)是“暗物質(zhì)”存在的最直接證據(jù)？（）A.星系旋轉(zhuǎn)曲線異常（外側(cè)恒星速度未隨半徑增加而下降）B.宇宙微波背景輻射的各向異性C.超新星Ia的紅移-距離關(guān)系D.引力透鏡效應(yīng)答案：A解析：星系旋轉(zhuǎn)曲線顯示，星系外側(cè)恒星的軌道速度遠(yuǎn)高于僅由可見物質(zhì)引力支持的理論值，表明存在大量不可見的暗物質(zhì)提供額外引力；引力透鏡是間接證據(jù)，CMB各向異性和超新星數(shù)據(jù)支持暗物質(zhì)的宇宙學(xué)效應(yīng)，但旋轉(zhuǎn)曲線是最直接的動(dòng)力學(xué)證據(jù)。15.關(guān)于“凌日法”探測系外行星的描述，錯(cuò)誤的是（）A.可測量行星的半徑B.要求行星軌道與觀測方向幾乎垂直C.能直接獲取行星大氣成分D.需長期監(jiān)測恒星亮度變化答案：C解析：凌日法通過恒星亮度周期性下降（行星遮擋）測量行星半徑（根據(jù)亮度下降幅度），但需行星軌道與視線方向近于共面（即“凌日”發(fā)生）；行星大氣成分需通過凌日時(shí)的光譜分析（如透射光譜）間接獲取，無法直接“獲取”。二、填空題（每空1分，共20分）1.太陽的能量來源于核心的__________反應(yīng)，其主要過程是__________循環(huán)和碳氮氧循環(huán)。答案：氫核聚變；質(zhì)子-質(zhì)子2.銀河系的結(jié)構(gòu)主要包括銀盤、__________、銀暈和__________。答案：核球；銀冕3.大爆炸理論中，宇宙演化的“黑暗時(shí)代”指__________形成之前，宇宙中無發(fā)光天體的時(shí)期；__________的形成標(biāo)志著黑暗時(shí)代的結(jié)束。答案：第一代恒星（或“PopulationIII恒星”）；星系4.中子星的密度約為__________g/cm3，其表面的強(qiáng)磁場會(huì)導(dǎo)致__________現(xiàn)象（如脈沖星的周期性輻射）。答案：101?-101?；磁層輻射（或“燈塔效應(yīng)”）5.柯伊伯帶位于__________軌道之外，主要由__________天體組成（填“冰質(zhì)”或“巖質(zhì)”）。答案：海王星；冰質(zhì)6.引力波探測器LIGO的工作原理是利用__________干涉儀測量時(shí)空的微小畸變；中國計(jì)劃建設(shè)的空間引力波探測器是__________。答案：激光；天琴計(jì)劃（或“太極計(jì)劃”）7.恒星演化末期，質(zhì)量小于__________（填數(shù)值及單位）的恒星最終會(huì)形成白矮星；質(zhì)量更大的恒星可能坍縮為中子星或__________。答案：1.4M☉（錢德拉塞卡極限）；黑洞8.宇宙學(xué)紅移的本質(zhì)是__________的膨脹導(dǎo)致的光譜波長拉伸；而引力紅移是__________效應(yīng)的結(jié)果（填“廣義相對論”或“狹義相對論”）。答案：宇宙空間；廣義相對論9.中國“天問二號(hào)”任務(wù)計(jì)劃探測的小天體是__________和__________（任填兩個(gè)）。答案：小行星2016HO3；彗星311P/PANSTARRS（或其他任務(wù)目標(biāo)）10.主序星的壽命主要取決于其__________和__________（填物理量）。答案：質(zhì)量；光度三、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述錢德拉塞卡極限的定義及其在恒星演化中的意義。答案：錢德拉塞卡極限是白矮星的最大可能質(zhì)量，約為1.4倍太陽質(zhì)量（1.4M☉）。其物理本質(zhì)是電子簡并壓力無法抵抗引力收縮的臨界質(zhì)量。當(dāng)恒星演化末期拋射外層形成白矮星時(shí)，若核心質(zhì)量超過此極限，電子簡并壓力不足以支撐引力，白矮星會(huì)進(jìn)一步坍縮，可能引發(fā)Ia型超新星爆發(fā)（吸積伴星物質(zhì)時(shí)）或形成中子星/黑洞。該極限是區(qū)分白矮星與更致密天體（中子星、黑洞）的關(guān)鍵判據(jù)，也是理解恒星死亡方式的核心理論。2.說明“視星等”與“絕對星等”的區(qū)別，并寫出二者的數(shù)學(xué)關(guān)系。答案：視星等（m）是天體在地球上的觀測亮度等級(jí)，反映天體的視亮度；絕對星等（M）是假設(shè)天體位于10秒差距（10pc）處的視星等，反映天體的真實(shí)亮度（光度）。二者關(guān)系由距離模數(shù)公式給出：m-M=5log(d/10)，其中d為天體到地球的距離（單位pc）。該公式將視亮度、絕對亮度與距離聯(lián)系起來，是測量天體距離的重要工具。3.為什么類星體的光度遠(yuǎn)高于普通星系？請從能量來源角度解釋。答案：類星體屬于活動(dòng)星系核（AGN），其核心是質(zhì)量為10?-101?M☉的超大質(zhì)量黑洞。當(dāng)周圍物質(zhì)（氣體、塵埃）被黑洞引力捕獲并落入吸積盤時(shí)，物質(zhì)因摩擦和引力勢能釋放轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射。吸積過程的能量轉(zhuǎn)化效率極高（可達(dá)10%-40%），遠(yuǎn)高于恒星核聚變更（約0.7%）。相比之下，普通星系的光度主要來自恒星的核聚變，能量釋放效率低且分布分散。因此，即使類星體的黑洞質(zhì)量僅占星系總質(zhì)量的很小比例，其吸積盤的輻射也能使類星體的光度超過整個(gè)普通星系（如銀河系光度約10??erg/s，類星體可達(dá)10??-10??erg/s）。4.簡述“重子聲學(xué)振蕩（BAO）”在宇宙學(xué)研究中的作用。答案：重子聲學(xué)振蕩是早期宇宙中重子物質(zhì)與光子耦合產(chǎn)生的聲波振蕩留下的遺跡。在recombination時(shí)期（約38萬年后），光子與物質(zhì)解耦，聲波傳播停止，形成以某個(gè)特征尺度（約150Mpc）為峰的物質(zhì)分布相關(guān)性。通過觀測不同紅移處星系的分布（如SDSS、DES等巡天），可測量BAO的特征尺度，作為“標(biāo)準(zhǔn)尺”約束宇宙的膨脹歷史（即哈勃常數(shù)H?、暗能量狀態(tài)方程等）。BAO是獨(dú)立于超新星、CMB的宇宙學(xué)探針，對驗(yàn)證宇宙學(xué)模型（如ΛCDM模型）和研究暗能量性質(zhì)具有關(guān)鍵作用。5.比較“太陽風(fēng)”與“恒星風(fēng)”的異同。答案：相同點(diǎn)：均為恒星外層大氣（日冕/星冕）的帶電粒子流，主要成分為質(zhì)子、電子和少量重離子，由恒星表面的高溫（百萬開爾文）和磁場作用驅(qū)動(dòng)，以超音速離開恒星。不同點(diǎn)：①強(qiáng)度差異：太陽風(fēng)速度約300-800km/s，密度約3-10粒子/cm3；大質(zhì)量恒星（如O/B型星）的恒星風(fēng)更強(qiáng)，速度可達(dá)2000-3000km/s，質(zhì)量損失率（約10??-10??M☉/年）遠(yuǎn)高于太陽（約10?1?M☉/年）。②驅(qū)動(dòng)機(jī)制：太陽風(fēng)主要由日冕加熱（機(jī)制未完全明確，可能與磁重聯(lián)、阿爾文波有關(guān)）驅(qū)動(dòng)；大質(zhì)量恒星的恒星風(fēng)主要由輻射壓（光子與恒星大氣中的重元素離子相互作用）驅(qū)動(dòng)。③對周圍環(huán)境的影響：太陽風(fēng)形成日球?qū)?，影響太陽系空間天氣；大質(zhì)量恒星風(fēng)可與星際介質(zhì)碰撞形成激波，觸發(fā)恒星形成或影響星系演化。四、計(jì)算題（每題10分，共30分）1.一顆主序星的質(zhì)量為5M☉，假設(shè)其光度L與質(zhì)量M的關(guān)系為L∝M3·?（質(zhì)光關(guān)系），太陽的壽命約為100億年（101?年）。計(jì)算該恒星的主序壽命。解：主序星壽命t與可用核燃料（正比于質(zhì)量M）和能量消耗率（正比于光度L）相關(guān)，即t∝M/L。由質(zhì)光關(guān)系L=kM3·?（k為常數(shù)），則t∝M/(kM3·?)=M?2·?/k。太陽的壽命t☉=101?年，對應(yīng)M☉=1M☉，L☉=k(1)3·?=k。對于5M☉的恒星，其壽命t=t☉×(M/M☉)?2·?=101?年×5?2·?。計(jì)算52·?=52×5?·?=25×√5≈25×2.236≈55.9，故t≈101?/55.9≈1.79×10?年（約1.8億年）。答案：約1.8億年。2.某恒星的視差角為0.05角秒，視星等m=8.5。計(jì)算該恒星的絕對星等M，并判斷其光度與太陽的相對大?。ㄒ阎柕慕^對星等M☉=4.83）。解：根據(jù)距離模數(shù)公式m-M=5log(d/10)，其中d=1/π（π為視差角，單位角秒），故d=1/0.05=20pc。代入公式：8.5-M=5log(20/10)=5log2≈5×0.3010≈1.505。解得M=8.5-1.505≈6.995≈7.0。絕對星等差ΔM=M-M☉=7.0-4.83=2.17。光度比L/L☉=10^(-0.4ΔM)=10^(-0.4×2.17)=10^(-0.868)≈0.136。因此，該恒星的光度約為太陽的13.6%。答案：絕對星等約7.0，光度約為太陽的13.6%。3.觀測到一個(gè)星系的光譜中氫原子的Hα線（靜波長λ?=656.3nm）紅移至λ=722.0nm。假設(shè)宇宙學(xué)紅移由哈勃膨脹引起，哈勃常數(shù)H?=70km/(s·Mpc)，計(jì)算該星系的退行速度v和距離d（保留兩位有效數(shù)字）。解：紅移量z=(λ-λ?)/λ?=(722.0-656.3)/656.3≈65.7/656.3≈0.100。對于小z（z<<1），退行速度v≈cz（c為光速，c=3×10?km/s），故v≈3×10?×0.100=3×10?km/s=30000km/s。根據(jù)哈勃定律v=H?d，距離d=v/H?=30000km/s÷70km/(s·Mpc)≈428.57Mpc≈430Mpc（兩位有效數(shù)字）。答案：退行速度約3.0×10?km/s，距離約430Mpc。五、論述題（每題20分，共40分）1.論述“恒星演化”的主要階段及其對應(yīng)的物理過程（以太陽質(zhì)量恒星為例）。答案：以太陽（中等質(zhì)量恒星，約0.5-8M☉）為例，其演化可分為以下階段：（1）原恒星階段（星際云坍縮）：初始為巨分子云中的致密核心，在引力作用下坍縮，中心溫度升高。坍縮過程中，角動(dòng)量守恒導(dǎo)致周圍物質(zhì)形成吸積盤，中心形成原恒星。當(dāng)核心溫度達(dá)到約10?K時(shí)，氫核聚變啟動(dòng)，進(jìn)入主序階段。（2）主序階段（氫核燃燒）：核心通過質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)將氫聚變?yōu)楹?，釋放能量維持流體靜力學(xué)平衡（引力收縮與輻射壓力平衡）。此階段占恒星壽命的90%以上（太陽約100億年）。（3）紅巨星階段（氫殼層燃燒+氦核收縮）：核心氫耗盡后，核區(qū)收縮（引力占優(yōu)），溫度升高，外圍未燃燒的氫層被加熱，啟動(dòng)氫殼層燃燒。能量釋放增加導(dǎo)致恒星外層膨脹、冷卻，表面溫度降低（變紅），半徑增大（變巨），成為紅巨星。此時(shí)核心為氦核（電子簡并態(tài)），當(dāng)氦核質(zhì)量達(dá)到約0.45M☉時(shí)，核心溫度升至1億K，觸發(fā)氦聚變（“氦閃”），開始將氦聚變?yōu)樘迹?α過程）。（4）水平分支階段（氦核燃燒）：氦核燃燒穩(wěn)定后，恒星進(jìn)入水平分支，核心氦聚變?yōu)樘?氧，外層氫殼層繼續(xù)燃燒。此時(shí)恒星光度較低，位于赫羅圖的水平分支區(qū)域。（5）漸近巨星分支（AGB）階段（氦殼層燃燒）：核心氦耗盡后，氦核收縮（電子簡并），外圍氦層被加熱，啟動(dòng)氦殼層燃燒，同時(shí)氫殼層燃燒繼續(xù)。恒星再次膨脹，光度增加，進(jìn)入AGB階段。此階段恒星會(huì)經(jīng)歷“熱脈沖”（氦殼層燃燒周期性增強(qiáng)），拋射外層物質(zhì)形成行星狀星云。（6）白矮星階段（電子簡并態(tài)）：外層物質(zhì)拋射后，核心殘留為碳氧白矮星（質(zhì)量<1.4M☉），由電子簡并壓力支撐引力，不再進(jìn)行核聚變，逐漸冷卻變暗，最終成為黑矮星（尚未觀測到，因宇宙年齡不足）?？偨Y(jié)：太陽質(zhì)量恒星的演化本質(zhì)是核燃料逐步耗盡、引力與壓力平衡不斷調(diào)整的過程，最終以白矮星結(jié)束生命，其各階段的物理過程由核心溫度、密度及核反應(yīng)類型主導(dǎo)。2.結(jié)合當(dāng)前技術(shù)進(jìn)展，論述空間望遠(yuǎn)鏡相比地面望遠(yuǎn)鏡在天文觀測中的優(yōu)勢，并舉例說明（至少兩個(gè)案例）。答案：空間望遠(yuǎn)鏡在地球大氣層外工作，避免了大氣擾動(dòng)、吸收和散射的影響，在以下方面具有顯著優(yōu)勢：（1）消除大氣湍流：地面望遠(yuǎn)鏡受大氣湍流影響，分辨率受限（視寧度約0.5-1角秒）；空間望遠(yuǎn)鏡（如哈勃）的角分辨率可達(dá)0.04角秒（可見光波段），接近衍射極限，能觀測更細(xì)節(jié)的天體結(jié)構(gòu)（如星系旋臂、恒星周圍盤）。（2）全波段覆蓋：地球大氣對紅外、紫外、X射線等波段強(qiáng)烈吸收（如大氣窗口僅覆蓋可見光、部分紅外和射電），空間望遠(yuǎn)鏡可實(shí)