2025年大学《天文学》专业题库- 恒星的电磁辐射特性

2025年大学《天文学》专业题库——恒星的电磁辐射特性考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、填空题（每空2分，共20分）1.能够吸收所有入射电磁辐射，并按黑体辐射定律向外emitting的理想物体称为________。2.根据维恩定律，黑体辐射谱的最大值波长与绝对温度成________比。3.恒星的表面温度越高，其辐射峰值波长越________（填“长”或“短”）。4.斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了黑体辐射的总功率与其绝对温度的四次方成________比。5.色指数定义为某特定波段（如B波段）的星等与另一波段（如V波段）的星等的差值，通常用来粗略估计恒星的________。6.恒星的光谱分类主要依据其光谱线的________和强度。7.赫罗图（H-R图）是一个以恒星的光度（或绝对星等）为纵坐标，表面温度（或光谱型）为横坐标的图表，图中不同区域分布着不同演化阶段的恒星。8.光谱中的吸收线主要形成于恒星________中的原子或离子对光子的吸收。9.光度是指恒星在单位时间内发出的总辐射能量，其单位通常用________表示。10.测量天体距离的一种重要方法是利用恒星的光度（或绝对星等）和观测到的亮度（或视星等），这基于________定律。二、选择题（每题3分，共30分。请将正确选项的字母填在括号内）1.以下哪个定律描述了黑体辐射的峰值波长与温度的关系？()A.斯蒂芬-玻尔兹曼定律B.维恩定律C.瑞利-金斯定律D.普朗克定律2.如果一颗恒星的光谱类型从B型变为K型，那么它的表面温度和光度将发生什么变化？()A.表面温度升高，光度增加B.表面温度降低，光度增加C.表面温度升高，光度减小D.表面温度降低，光度减小3.已知两颗恒星的光谱型相同，但其中一颗比另一颗更亮，那么可以推断出什么？()A.较亮的恒星距离我们更近B.较亮的恒星距离我们更远C.较亮的恒星表面温度更高D.较亮的恒星表面温度更低4.色指数（B-V）为负值通常意味着什么？()A.恒星呈蓝色B.恒星呈红色C.恒星表面温度很高D.恒星表面温度很低5.以下哪种现象是由于恒星内部核聚变产生的能量以电磁辐射形式向外传输的结果？()A.恒星的引力坍缩B.恒星的脉动C.恒星的电磁辐射D.恒星的磁场变化6.恒星光谱中的发射线主要是由什么形成的？()A.恒星内部高温高压气体B.恒星外部冷气体对光线的吸收C.恒星外部高温气体对光线的发射D.星际介质对光线的散射7.赫罗图上的主序带代表什么？()A.恒星演化的终点B.恒星内部核燃料耗尽的阶段C.恒星形成过程中刚刚诞生的阶段D.恒星核心温度和压力足够高的阶段8.光度与亮度之间的关系由什么决定？()A.恒星的半径B.恒星的表面温度C.恒星的距离D.A和B共同决定9.斯特藩-玻尔兹曼常数描述了什么？()A.黑体辐射峰值波长与温度的关系B.黑体辐射总功率与温度的关系C.恒星光谱线的宽度D.恒星的光度与半径的关系10.下列哪种观测手段主要依赖于对恒星电磁辐射的分析？()A.射电干涉测量B.脉冲星计时C.星系红移测量D.全部都是三、简答题（每题5分，共20分）1.简述普朗克黑体辐射定律的主要内容及其历史意义。2.解释什么是色指数，并说明它如何反映恒星的表面温度。3.恒星的光谱类型是如何划分的？简要说明不同光谱类型的主要特征差异。4.简述光在穿过恒星大气层时，会发生哪些主要的电磁辐射过程（至少三种）。四、计算题（每题10分，共30分）1.一颗恒星的光度是太阳的100倍（L=100L☉），距离地球是50光年。假设太阳的绝对星等是4.83magnitudes，请计算这颗恒星的视星等（提示：可以使用距离modulus公式和光度与星等的关系公式）。2.已知一颗恒星的光谱型为G2V，请根据赫罗图大致推断其表面温度范围（以开尔文为单位）和大致的光度级别（与太阳相比）。3.一颗恒星的光谱中存在强烈的Hα（波长656.3纳米）吸收线。根据此信息，你能得出关于这颗恒星的哪些初步结论？（至少说出两点）五、论述题（10分）结合恒星内部结构和核反应的知识，简要说明恒星从主序星阶段演变为红巨星阶段时，其电磁辐射特性（包括亮度、表面温度、光谱特征等）会发生哪些主要变化，并解释这些变化的原因。试卷答案一、填空题1.黑体2.反比3.短4.正5.温度6.特征7.（赫罗图）中不同区域分布着不同演化阶段的恒星8.外部大气9.尤托（W或Jy）10.面积-距离二、选择题1.B2.D3.A4.C5.C6.C7.D8.D9.B10.D三、简答题1.普朗克黑体辐射定律定量描述了黑体在不同温度下发出的辐射能量随波长分布的规律。该定律引入了能量量子化（hν）的概念，成功解释了经典物理学（如瑞利-金斯定律）无法解释的“紫外灾难”，是量子力学诞生的关键事件之一。其主要内容是：黑体辐射的总功率与其绝对温度的四次方成正比（斯蒂芬-玻尔兹曼定律），且辐射功率在某个波长处有峰值，峰值波长与绝对温度成反比（维恩定律）。2.色指数（通常指B-V色指数）是衡量恒星“颜色”的量，定义为恒星在B波段（蓝光）的星等（m_B）与其在V波段（可见光黄绿光）的星等（m_V）之差，即m_B-m_V。根据斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩定律，恒星的辐射峰值波长与温度成反比，温度越高，峰值越偏蓝；温度越低，峰值越偏红。因此，温度高的恒星辐射在B波段相对更强，其B-V色指数趋于负值；温度低的恒星辐射在V波段相对更强，其B-V色指数趋于正值。所以，负的B-V色指数通常意味着恒星表面温度较高。3.恒星的光谱类型是根据其光谱线的特征（主要是吸收线或发射线的种类、数量和强度）来划分的，通常按温度从高到低排序，分为O、B、A、F、G、K、M七个主要类型，辅以更细分的次型（如0.5,2.5等）。O型星光谱中只有强烈的电离氦线和Hβ线，几乎没有氢巴尔末线，温度最高（约30000K以上）。B型星有H巴尔末线，氮线明显，温度次高。A型星H巴尔末线最宽最强，金属线（如钙K线）出现，呈白色，温度较低（约7500-9000K）。F型星氢线减弱，金属线增强，有发射线，呈黄白色，温度更低（约6000-7500K）。G型星（如太阳）氢线较弱，金属线更强，呈黄色，温度适中（约5000-6000K）。K型星氢线几乎消失，金属线非常强，有发射线，呈橙色，温度更低（约4000-5000K）。M型星主要是分子的吸收带和强弱的金属离子线，呈红色，温度最低（约3000-4000K）。4.光在穿过恒星大气层时，主要会发生以下电磁辐射过程：*吸收（Absorption）：光子与大气中的原子或离子相互作用，能量被吸收，原子或离子被激发或电离，光子消失，形成光谱中的吸收线。*发射（Emission）：处于激发态的原子或离子在退激发回到低能级时，会发射光子，形成发射线。这可以在恒星大气的高温区域发生（如耀斑），也可以在较冷、稠密的大气层下方或星际介质中发生。*散射（Scattering）：光子与大气中的粒子（原子、分子、尘埃等）发生弹性或非弹性碰撞而改变传播方向。散射会改变光的强度和颜色（如蓝移），并可能导致星光被散射到天空背景中（天空亮度）。四、计算题1.解：*光度比L/L☉=100*距离d=50光年*太阳的绝对星等m_abs☉=4.83magnitudes*距离modulusm-M=5*log10(d)+5*光度与星等的关系m-m_abs☉=-2.5*log10(L/L☉)*将L/L☉=100代入，得m-m_abs☉=-2.5*log10(100)=-2.5*2=-5magnitudes*距离modulusm-M=(m-m_abs☉)+m_abs☉=-5+4.83=-0.17magnitudes*M=m-(m-M)=m+0.17*将m-M=-0.17代入距离modulus公式，得-0.17=5*log10(50)+5=5*log10(5*10)+5=5*(log10(5)+1)+5=5*(0.699+1)+5=5*1.699+5=8.495+5=13.495magnitudes*M=m+0.17=-0.17+13.495=13.325magnitudes*M≈13.33magnitudes2.解：*G2V型恒星属于G型星，G型星的表面温度大约在5000K至6000K之间。*V型表示该恒星位于主序带，主序带上的G型星（如太阳）的表面温度约为5778K。*因此，G2V恒星的表面温度大致在5700K-5900K的范围内。*G型星的光度大致与太阳相当（L≈L☉）。3.解：*Hα是氢原子巴尔末系的第一条谱线，波长为656.3纳米，属于可见光中的红光部分。*Hα谱线的存在（尤其“强烈”）通常意味着该恒星大气中存在大量的处于基态的氢原子。*强烈的Hα吸收线表明光子能够有效地穿过恒星大气，并与大气中的氢原子发生作用。*这暗示了该恒星的表面温度相对较低，因为只有当表面温度不高时，大气才不会过于“炽热”，使得来自内部的热辐射能够有效地向外传输，并在大气中留下明显的氢吸收线。如果温度过高，氢原子会被过度电离，吸收线会减弱或消失。*因此，强烈的Hα吸收线通常表明该恒星是一颗温度相对较低的恒星，可能处于主序早期或更晚的阶段。同时，这也表明我们观测到的光主要是从恒星的较冷大气层区域发出的。五、论述题恒星从主序星演变为红巨星阶段时，其内部结构和核反应发生显著变化，导致电磁辐射特性发生巨大转变：1.核反应变化：主序星主要依靠核心氢核聚变（主要是质子-质子链反应或CNO循环）产生能量。当核心氢燃料耗尽后，核心压力和温度不再维持平衡，核心开始收缩。2.内部结构变化：核心收缩导致核心温度和密度急剧升高，同时，在核心周围形成一个由氦组成的致密核心。核心外的氢被加热至极高温度，形成一个“氢燃烧壳”，在壳层内进行氢核聚变。巨大的能量产生导致恒星的外部大气急剧膨胀。3.表面温度变化：由于能量产生区从致密的核心移到了相对稀疏的氢燃烧壳，能量需要传递到更广阔的外部大气层。同时，膨胀的大气层变得更加稀薄，对光子的散射和吸收效率降低。这些因素综合导致恒星的表面（photosphere）温度显著下降。4.