2025年大学《天文学》专业题库- 星际空间的射线辐射及危害

2025年大学《天文学》专业题库——星际空间的射线辐射及危害考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项字母填入括号内）1.下列哪一种射线通常具有最高的能量？A.X射线B.伽马射线C.射电波D.可见光2.脉冲星发出的高能粒子主要被加速的场所最可能位于：A.脉冲星磁极附近B.脉冲星旋转的星体表面C.脉冲星周围的relativisticjet（相对论喷流）区域D.脉冲星内部的核反应区3.在星际空间中，高能宇宙射线（主要是质子和重核）的能量损失主要机制是：A.光致电离B.与星际气体发生核反应C.质子同步加速D.剩余能量辐射（同步辐射或逆康普顿散射）4.对于空间探测器而言，总剂量效应（TID）主要指的是：A.单个高能粒子击穿电子器件绝缘层B.累积的辐射能量导致器件性能参数（如漏电流、阈值电压）发生长期、缓慢变化C.器件因过热而永久损坏D.辐射引起的器件短路5.能够探测到中微子的天文观测设备，其核心原理通常依赖于中微子与什么物质的相互作用？A.宇宙背景辐射B.星际介质中的氢原子C.重原子核D.水或冰等物质中的原子核6.活动星系核（AGN）中心引擎发出的强烈射电辐射和伽马射线辐射，分别主要源于：A.星系际介质碰撞加热，核反应过程B.喷流中的相对论电子同步辐射，核反应过程C.恒星内部核聚变，喷流中的逆康普顿散射D.超新星爆发的冲击波，脉冲星加速过程7.X射线吸收谱中的“吸收边缘”（AbsorptionEdge），通常反映了：A.X射线源距离地球的远近B.星际介质中某种特定元素的丰度C.辐射在传播过程中能量损失的方式改变D.X射线探测器自身的性能限制8.飞行器设计中对宇航员进行辐射防护时，通常选用水或人体组织作为屏蔽材料，主要是因为它们对辐射具有：A.最高的反射率B.最强的吸收能力（特别是对特定能量范围的辐射）C.最轻的重量D.最低的成本9.伽马射线暴（Gamma-RayBurst,GRB）被认为是宇宙中最剧烈的天文事件之一，其产生的伽马射线能量可达千兆电子伏特（GeV）甚至更高，其潜在的能量来源最可能是：A.恒星风能量释放B.中子星与中子星并合过程中的引力能转换C.超大质量黑洞吸积物质的动能释放D.星际磁场对低能带电粒子的加速10.宇宙射线对航天任务的主要风险之一是“单粒子事件效应”（SingleEventEffect,SEE），这通常指的是：A.宇航员受到的急性辐射剂量超标B.辐射导致电子器件发生瞬态故障或永久损坏C.航天器结构材料因辐射损伤而变脆D.辐射引起宇航员免疫系统暂时失效二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线处）1.能够穿透行星大气层，并到达地表的宇宙射线主要是_______和_______。2.产生伽马射线的最基本物理过程是_______。3.X射线和伽马射线都属于_______射线，它们的主要区别在于能量和产生环境。4.高能宇宙射线在银河系中的运动速度接近_______。5.辐射对空间探测器造成的“总剂量效应”（TID）主要关注的是辐射累积对器件_______的影响。6.为了减少宇航员在深空探测任务中受到的长期辐射暴露，可以选择_______的飞行轨道或持续时间。7.中微子因为几乎不与物质发生相互作用，因此可以用来作为研究_______的“探针”。8.在讨论星际空间辐射危害时，通常使用“剂量”（如希沃特）来衡量对_______的生物学效应。9.空间探测器上常用的_______材料，因其相对较高的密度和原子序数，对阻止高能质子有一定效果。10.评估空间任务辐射风险时，需要考虑探测器所处位置的_______辐射环境以及宇航员在舱外活动的时间。三、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述同步辐射辐射的产生机制及其与宇宙射线的关系。2.说明宇宙射线对宇航员可能造成的几类主要生物学危害。3.简述空间探测器设计中，采用屏蔽材料防护辐射的基本原理。4.解释什么是宇宙射线的“通量”（Flux）和“注量”（Fluence），并说明它们的区别。四、计算题（共10分）假设一个空间探测器位于日心轨道上，距离太阳约1天文单位（AU）。该探测器测得来自太阳方向的银河宇宙射线（主要是质子）的平均通量为1个/cm²/s。已知质子的平均能量为1GeV，质子电荷量为e=1.6x10⁻¹⁹C。请估算：（1）该探测器每平方米表面上每秒接收到的总质子能量（单位：W/m²）。（2）如果探测器的有效面积为1m²，且质子完全被吸收（不考虑散射），则每天累积的质子能量沉积总量大约是多少？（结果保留一位有效数字）五、论述题（共15分）论述高能宇宙射线（GalacticCosmicRays,GCRs）对深空探测任务（例如载人火星任务）构成的主要挑战，并探讨目前提出的几种主要的辐射防护策略及其优缺点。试卷答案一、选择题1.B2.C3.B4.B5.D6.B7.B8.B9.B10.B二、填空题1.高能质子,高能重核2.核反应（如中子俘获、粒子湮灭）3.高能电磁4.光速(或3x10⁸m/s)5.性能参数6.长距离,长(或距离远,时间短)7.超新星爆发机制,宇宙早期核合成过程(或其他天体物理过程)8.人体组织(或生物体)9.铝(或铝合金,或锡)10.能量谱(或能量分布)三、简答题1.解析思路：同步辐射是指高速带电粒子（通常是宇宙射线电子）在磁场中做曲线运动时，由于洛伦兹力作用而发射的电磁辐射。其强度与粒子能量、磁场强度以及粒子运动方向与磁力线方向的夹角有关。宇宙射线是产生同步辐射的重要粒子来源之一，当它们进入星系磁场（如银晕磁场或活动星系核周围的磁场）时，会发出同步辐射，形成我们观测到的射电或X射线源。2.解析思路：宇宙射线对宇航员的生物学危害主要包括：①急性效应：短时间内高剂量辐射可能导致辐射病，表现为恶心、呕吐、疲劳、白细胞减少等症状。②慢性效应：长期累积的辐射暴露增加患癌症的风险。③确定性效应：达到一定剂量阈值时可能发生的确定性健康后果，如白内障、生育能力下降等。④随机效应：主要指致癌风险，其发生概率随剂量增加而增加。3.解析思路：空间探测器防护辐射的基本原理是利用屏蔽材料吸收或散射incoming的射线粒子，从而减少到达探测器内部敏感部件（如电子器件、宇航员舱段）的辐射通量或能量。吸收Shielding主要依靠材料原子核与射线粒子发生相互作用（如电离、核反应），将粒子能量沉积在屏蔽材料中；散射Shielding主要依靠材料（特别是含有较多轻元素的材料如水、塑料、泡沫）使入射粒子的方向发生改变，降低其穿透能力。4.解析思路：宇宙射线通量（Flux）是指单位时间通过单位面积垂直于射线方向的粒子数，描述了辐射场的强度或密度，单位通常是particle/(cm²·s)。宇宙射线注量（Fluence）是指在一定时间间隔内通过单位面积垂直于射线方向的粒子总数，描述了在特定时间段内累积到达的粒子总量，单位通常是particle/cm²。两者的区别在于通量是瞬时或单位时间量，而注量是累积量。四、计算题（1）解析思路：计算单位面积接收到的能量，需要将粒子通量乘以单个粒子的能量。通量为1个/(cm²·s)，换算为m²单位是1x10⁶个/(m²·s)。质子能量为1GeV，换算为焦耳是1x10⁹eVx1.6x10⁻¹⁹J/eV=1.6x10⁻⁶J。因此，单位面积每秒接收到的能量为1x10⁶个/(m²·s)x1.6x10⁻⁶J/个=1.6W/m²。（2）解析思路：计算累积能量沉积总量，需要将单位面积每秒接收到的能量乘以探测器有效面积（1m²），再乘以时间（1天=86400秒）。累积能量=1.6W/m²x1m²x86400s=1.38x10⁵J。结果保留一位有效数字为1x10⁵J。五、论述题解析思路：论述GCRs对深空任务的挑战需涵盖其主要危害（生物和设备）和来源（主要是太阳风加速的质子，少量来自银河系外的重核）。生物危害主要是增加宇航员的癌症风险和急性辐射病风险，尤其对长期任务（如数月至数年）和深空（离开地球磁场保护）任务影响显著。设备危害包括单粒子效应（SEE）导致瞬时故障，和总剂量效应（TID）导致长期性能退化甚至永久损坏，影响关键电子系统和宇航员生命支持设备。防护策略可从材料（轻质高密材料如水、氢、聚乙烯用于吸收，重质材料如铝、钨用于散射高能粒子）、结构设计（利用航天器壳体作为天然