2025年大学《天文学》专业题库- 星际宇宙尘埃的来源与演化

2025年大学《天文学》专业题库——星际宇宙尘埃的来源与演化考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共30分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪一项不是主要的星际宇宙尘埃来源？A.恒星风B.行星形成残留物C.超新星爆发D.宇宙大爆炸的原始物质2.星际尘埃粒子最主要的化学成分是？A.氢和氦B.重金属元素C.硅酸盐、碳、氧的化合物D.水冰3.使星云呈现红色或橙红色的现象被称为？A.反射B.散射C.红化D.吸收4.与星际气体相比，星际尘埃粒子在磁场中的运动更倾向于？A.沿磁力线运动B.垂直于磁力线运动C.随机运动，不受磁场影响D.运动被完全阻止5.下列哪种观测波段对于探测星际尘埃最为有效？A.可见光B.紫外线C.红外线D.X射线6.星际尘埃的“颜色指数”（B-V）通常？A.小于0B.等于0C.大于0D.无法确定7.导致星际尘埃在星云中发生沉降的主要力是？A.恒星辐射压力B.星际气体压力C.自由落体引力D.碰撞拖曳力8.恒星内部核合成产生的碳、氧等元素，主要通过哪种过程被抛洒到星际空间成为尘埃？A.恒星风B.超新星爆发C.白矮星风D.行星状星云演化9.下列哪种星际尘埃粒子被认为是在低温区（如星际云核心）形成的？A.硅酸盐颗粒B.金刚石颗粒C.碳颗粒（石墨）D.铁颗粒10.星际尘埃的散射光通常偏向？A.红色B.蓝色C.绿色D.白色11.行星形成理论认为，行星的固体物质核心最初是由星际尘埃颗粒通过什么过程聚集而成的？A.恒星风驱动的沉降B.尘埃-气体碰撞粘附C.磁场捕获D.超新星冲击波压缩12.尘埃粒子的大小分布通常用什么函数来描述？A.指数函数B.高斯函数C.对数正态分布函数D.抛物线函数13.限制尘埃在星云中向上浮起的力主要是？A.尘埃自身的引力B.恒星辐射压力C.星际气体压力D.碰撞拖曳力14.19世纪，天文学家利用什么现象首次推测到星际介质中存在尘埃？A.星际闪烁B.宇宙微波背景辐射C.恒星目视星等随距离的变化（红移）D.恒星光谱中的吸收线红移15.星际尘埃对早期宇宙化学演化的主要贡献是？A.提供了初始的重元素B.增加了氢气的含量C.提高了宇宙的膨胀速率D.阻止了恒星的形成二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.星际尘埃粒子的大小通常在______埃到______微米之间。2.尘埃对可见光的吸收和散射会导致恒星的光谱型向______端移动。3.除了可见光，星际尘埃还会发射______辐射，这是探测其存在和性质的重要手段。4.由超新星爆发抛射出来的尘埃富含______和______等重元素。5.尘埃粒子在磁场中的运动轨迹会受到______的影响，导致其沿磁力线扩散。6.星际尘埃的化学成分表明其起源于______和______等不同环境。7.尘埃在星际介质中扮演着重要的“______”角色，影响着气体动力学过程。8.红外天文台的建立极大地推动了我们对______研究。9.尘埃的吸光特性使其成为______的重要指标。10.在星云的低温区，尘埃表面可以吸附气体分子形成______。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述恒星风作为星际尘埃来源的过程。2.解释什么是星际尘埃的红化现象及其物理原因。3.描述星际尘埃在星云中经历的主要演化过程（至少三种）。4.比较超新星爆发产生的尘埃和行星形成残留尘埃在成分和性质上的主要区别。四、计算题（6分）假设一颗恒星的光度L=1.0太阳光度，距离d=100光年。该恒星的光谱类型为B0V。观测发现，来自该恒星的星光经过其所在星云后，其颜色指数（B-V）从原始的+0.65增加到+1.05。已知星际尘埃对该星云的reddening系数k_V=0.1mag/km/s。请估算该星云到地球的距离（假设星云位于恒星和地球之间）。五、论述题（14分）论述星际宇宙尘埃在恒星和行星形成过程中的作用。请从尘埃的初始来源、如何在星际介质中聚集、如何影响气体动力学、以及在行星形成过程中的角色等方面进行阐述。试卷答案一、选择题1.D2.C3.C4.A5.C6.C7.D8.B9.C10.B11.B12.C13.B14.C15.A二、填空题1.100；102.红色3.红外4.碳；氧5.恒星辐射压力（或：磁场不均匀性）6.恒星；超新星爆发7.摩擦（或：碰撞阻力）8.星际尘埃9.红化程度10.冰三、简答题1.恒星（特别是O型和B型）强烈的恒星风将恒星大气中的较轻元素（如碳、氧、镁、硅）的原子或离子吹入星际空间。这些物质在星际磁场和气体流的帮助下扩散，随后在星际介质中通过冷却和凝结过程形成微小的尘埃颗粒。2.红化是指星云或尘埃云使来自背景恒星的星光偏向红色的现象。物理原因是星际尘埃粒子对可见光具有选择性散射效应：波长较短的蓝光比波长较长的红光散射得更强烈，且散射效率与波长的四次方成反比。当星光穿过尘埃云时，蓝光被优先散射掉，使得透射或反射出的星光相对更红。3.主要演化过程包括：*碰撞粘附与成团：微小尘埃颗粒通过范德华力等弱相互作用相互碰撞并粘附，逐渐长大成更大的颗粒。*沉降：由于尘埃与气体之间的密度差以及碰撞拖曳力，尘埃颗粒在引力作用下会向下沉降，逐渐偏离原始的均匀分布。*上浮：在某些区域（如近恒星区域），恒星辐射压力和气体压力差可能超过沉降力，导致尘埃颗粒上浮。*聚集与成星/成行星：在密度较高的区域，尘埃颗粒可以继续聚集，最终可能成为原恒星盘中的物质，进而形成行星。4.主要区别：*成分：行星形成残留尘埃通常富含硅酸盐、碳酸盐、冰等较轻元素和化合物，反映了其形成于相对低温的环境；超新星爆发产生的尘埃富含氧、硅、硫等重元素，以及由快中子俘获过程形成的元素（如锇、铂），形成温度通常很高。*尺寸：行星形成残留尘埃颗粒通常较小（亚微米到几微米）；超新星尘埃颗粒可能有大有小，但有时也包含一些较大的核颗粒。*起源环境：前者形成于年轻恒星周围的行星盘；后者是在剧烈的超新星爆裂中抛射出来的。四、计算题1.红化量Δ(B-V)=1.05-0.65=0.40mag。2.根据公式Δ(E(B-V))=k_V*E(V)，其中k_V=0.1mag/km/s。由于尘埃对蓝光的散射更强，导致B-V变红（即B-V增加），所以Δ(B-V)=-Δ(E(B-V))。因此，Δ(E(B-V))=-0.40mag。3.E(V)=-Δ(B-V)/k_V=-0.40mag/0.1mag/km/s=-4.0km/s。4.恒星视向速度V=c*E(V)=(3.0×10^5km/s)*(-4.0km/s)=-1.2×10^6km/s。这里计算出的负号表示恒星在远离我们。5.利用视差公式d(pc)=1/p(arcsec)，其中p是恒星的视差角（角秒）。视差p(arcsec)=d(pc)*3600arcsec/deg。根据距离模数公式m-M=5*log(d(pc))-5，其中m是视星等，M是绝对星等。已知m=0.0,M=15.0。5*log(d(pc))=m-M=0.0-15.0=-15.0。log(d(pc))=-3.0。d(pc)=10^(-3.0)=0.001pc。6.p(arcsec)=0.001pc*3600arcsec/pc=3.6arcsec。7.实际距离d(pc)=1/p(arcsec)=1/3.6arcsec≈0.278pc。8.将距离转换为光年：d(ly)=d(pc)*3.26ly/pc≈0.278*3.26≈0.91光年。五、论述题星际宇宙尘埃在恒星和行星形成过程中扮演着至关重要的角色。它们不仅是构成行星的主要原材料之一，也深刻影响着星际介质的物理和化学性质，进而影响恒星和行星的形成。首先，星际尘埃是恒星和行星形成的关键种子。宇宙大爆炸产生了丰富的氢和氦，但在早期宇宙中，较重的元素（如碳、氧、硅等）主要是在恒星内部通过核合成产生，并通过超新星爆发和行星状星云演化等过程被抛洒到星际空间。这些元素构成了星际尘埃的初始化学成分。尘埃颗粒为气体（主要是氢和氦）的凝聚提供了必要的“引力种子”。在星际云中，尘埃颗粒通过范德华力等弱相互作用相互吸引和粘附，克服气体压力，开始从稀薄的星际介质中凝结出来。这个过程是形成更大尺度结构（如原恒星盘）的第一步。其次，尘埃与气体之间的相互作用显著影响着星际介质的动力学。尘埃颗粒比气体分子重得多，它们在引力作用下会向下沉降，形成尘埃密度较高的区域。这种尘埃与气体的密度不匹配会产生“尘埃-气体拖曳力”，这种力会改变气体的运动，使其速度场偏离纯引力平衡状态，可能导致形成螺旋密度波、气旋甚至触发恒星形成。此外，尘埃对恒星辐射的吸收和散射也会影响气体的温度和压