2025年大学《天文学》专业题库- 星际尘埃在星际空间中的演进研究

2025年大学《天文学》专业题库——星际尘埃在星际空间中的演进研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.下列哪一种星际物质通常不被认为是典型的星际尘埃颗粒？A.水冰微米级颗粒B.硅酸盐岩石微米级颗粒C.形成行星的公里级大块岩石D.碳酸盐微米级颗粒2.星际尘埃颗粒的“捕获形成”机制主要涉及：A.两个尘埃颗粒通过范德华力直接碰撞并粘附B.高能宇宙射线分解星际气体分子，形成尘埃前体C.气体分子（如水汽）在冷尘埃表面沉积并冻结D.星云中密度波动导致的气体碰撞压缩形成尘埃核心3.以下哪个天文现象主要归因于星际尘埃对可见光的强烈吸收？A.星云的红色外观B.宇宙的暗能量效应C.宇宙微波背景辐射的峰值D.恒星的自转调制4.星际尘埃颗粒在通过引力沉降离开薄星云盘的过程中，其空间分布会发生什么变化？A.向内扩散，盘中心密度增加B.向外扩散，盘边缘密度增加C.向内集中，盘中心密度降低D.在盘平面内保持均匀分布5.与星际气体相比，星际尘埃的主要光学特性是：A.对所有波段的电磁辐射具有几乎相同的吸收和散射截面B.在紫外和X射线波段比气体更易吸收C.在红外和微波波段比气体更易吸收和散射D.对电磁辐射几乎没有相互作用6.尘埃颗粒的聚集（coagulation）过程通常发生在：A.极高温的星云核心区域B.尘埃与气体密度非常低的稀疏区域C.恒星形成区内的低温、密度相对较高的区域D.星系旋臂与星系核交界处7.红外天文观测在研究星际尘埃方面特别重要，主要是因为：A.尘埃在可见光波段与气体一样透明B.尘埃可以发射强烈的无线电波辐射C.尘埃对红外辐射有强烈的吸收和发射，尤其在其振动和转动能级跃迁处D.红外望远镜可以穿透所有尘埃云8.尘埃颗粒的辐射压（radiationpressure）主要来源于：A.星际磁场对尘埃的作用力B.星际气体对尘埃的碰撞力C.入射星光被尘埃吸收后产生的热效应D.入射星光被尘埃反射和散射时施加的推力9.下列哪项是星际尘埃演化过程中可能导致其碎裂的主要机制？A.恒星风对尘埃的持续吹扫作用B.尘埃颗粒之间发生弹性碰撞C.尘埃颗粒内部因辐射加热不均产生的应力D.尘埃颗粒在磁场中运动受到的洛伦兹力10.尘埃表面的化学反应对于：A.星际气体主要元素的合成至关重要B.解释某些星云的紫外发射线具有重要意义C.维持星云内气体与尘埃的质量比基本恒定至关重要D.星系形成过程中重元素的分布格局至关重要二、简答题（每小题5分，共25分。请简要回答下列问题）1.简述星际尘埃的两种主要形成途径及其关键区别。2.解释什么是星际尘埃的“光学厚度”，并说明它与观测的关系。3.描述尘埃颗粒通过“气体输运”离开星云盘的过程及其依赖的关键物理条件。4.列举并简要说明影响星际尘埃温度的三个主要因素。5.为什么星际尘埃的观测研究对理解行星系统的形成与演化具有重要意义？三、计算题（共15分。请列出必要的公式和计算步骤）假设在一个特定的分子云中，星际尘埃的数密度为n_d=10^6cm^-3，气体数密度为n_g=100cm^-3，气体温度T_g=10K。观测到该云在红外波段λ=25μm处具有测得的红外发射谱亮度L_ν=10^9Wm^-2sr^-1Hz^-1。已知在λ=25μm处，星际尘埃的发射率ε_ν≈0.8，普朗克常数h=6.626×10^-34J·s，光速c=3×10^8m/s，玻尔兹曼常数k_B=1.38×10^-23J/K。请计算：(1)在λ=25μm处，该云单位体积内的尘埃发射功率（Wm^-3）。(2)估算该云中尘埃的平均温度（假设尘埃可视为黑体或灰体）。四、论述题（共40分。请结合所学知识，全面而深入地论述下列问题）论述星际尘埃在恒星和行星形成过程中所扮演的关键角色。请涵盖尘埃的形成、生长、与气体和辐射的相互作用、以及其在不同阶段（从分子云到原行星盘，再到行星系统）的具体作用机制和影响。同时，说明我们是如何利用观测手段来探测和研究这些过程的。试卷答案一、选择题1.C解析思路：星际尘埃通常指尺寸在微米量级以下的固体颗粒，主要由星际气体中的元素构成。公里级的大块岩石属于星际介质中相对稀少的大型物体，如流星体或星子，不属于典型的尘埃颗粒范畴。2.C解析思路：捕获形成主要指气体分子（如水、氨、甲烷等）在足够低温的尘埃表面通过物理吸附或化学反应冻结（deposition/frosting）的过程，而不是颗粒间的直接碰撞或气体碰撞压缩。3.A解析思路：星际尘埃对可见光（特别是蓝光）有强烈的吸收，导致星云向红光波段散射和发射更多能量，使得星云整体呈现红色或紫色外观。散射是使星云可见的主要原因，但呈现颜色主要归因于吸收。4.C解析思路：引力沉降使得较重的尘埃颗粒（相比气体分子）由于受到更大的引力作用而加速向星云中心坠落，导致盘中心区域的尘埃密度不断增加，而外部区域相对减少。5.C解析思路：星际尘埃对红外和微波波段的电磁辐射具有强烈的吸收和散射能力，这是由于尘埃颗粒的尺寸与这些波段的波长相当（共振散射），使其与气体分子在可见光和紫外波段的行为有显著不同。6.C解析思路：尘埃聚集过程需要一定的气体密度来提供足够多的碰撞机会，同时温度不宜过高以避免尘埃过快蒸发。恒星形成区内的分子云提供了这样的环境：足够低的温度和相对较高的气体密度。7.C解析思路：星际尘埃在可见光和紫外波段被气体和星际介质强烈吸收，难以穿透。但在红外波段，尘埃的发射（特别是其振动和转动能级跃迁）非常强，且穿透性相对较好，因此红外观测是研究被尘埃遮挡区域的关键手段。8.D解析思路：辐射压是入射光子携带的动量被物体吸收或散射后传递给物体的力。对于不透明或部分不透明的尘埃颗粒，反射和散射是主要的能量损失方式，从而产生辐射压。9.C解析思路：辐射加热不均可以在尘埃颗粒内部产生温度梯度和热应力，当应力超过材料的承受极限时，会导致颗粒碎裂。这是尘埃演化中一种重要的碎裂机制。10.B解析思路：尘埃表面可以催化星际气体分子发生化学反应，例如合成复杂的有机分子（星际分子），这些分子是生命前体物质的重要组成部分。观测到某些星云中存在大量复杂有机分子，支持了尘埃表面化学的重要性。二、简答题1.答：星际尘埃的形成途径主要有两种：*捕获形成（CaptureFormation）：在极低温（<30K）环境下，星际气体分子（如水、氨、甲烷等）在尘埃表面通过物理吸附或化学反应冻结成冰状颗粒。这是形成富碳或富冰尘埃的主要途径。*碰撞形成/捕获形成（CollisionFormation/CaptureFormation）：金属硅酸盐等物质可能通过星际气体中原子或分子的碰撞聚合形成。也可能指微小颗粒通过与其他颗粒（无论大小）碰撞并粘附的过程。关键区别在于捕获形成主要涉及气体分子在低温表面的沉积冻结，而碰撞形成/捕获形成更侧重于颗粒间的物理碰撞和粘附过程，或指金属元素通过碰撞形成硅酸盐等核心。2.答：星际尘埃的光学厚度（OpticalDepth,τ_ν）是一个无量纲量，描述了电磁波通过星际尘埃云时被吸收或散射的程度。它定义为τ_ν=N×σ_ν，其中N是单位体积内的尘埃颗粒数密度，σ_ν是单个尘埃颗粒在给定频率ν下的吸收或散射截面。光学厚度决定了观测者能看到多远。当τ_ν≈1时，光被显著减弱；当τ_ν>>1时，光几乎完全被吸收或阻挡，形成暗云或红外暗云；当τ_ν<<1时，云体对光是透明的。3.答：气体输运（GasTransport）是指由于尘埃与气体之间的质量交换（主要是尘埃吸收气体）导致尘埃和气体以不同的速度运动，从而使尘埃相对于气体发生迁移的过程。具体过程是：尘埃吸收周围气体，使尘埃颗粒的气体负荷增加，整体密度增大，惯性增加，导致其运动速度落后于周围的气体。这种速度差驱使尘埃向气体运动的前方移动。当尘埃释放气体（如通过辐射蒸发）时，其速度又会赶上气体。这个过程持续进行，最终使尘埃的平均运动速度趋近于气体的速度，但尘埃的垂直分布会逐渐与气体达到准平衡状态，即尘埃在垂直方向上的分布与气体不同（通常尘埃更倾向于沉降到盘平面）。4.答：影响星际尘埃温度的三个主要因素：*入射辐射场强度：星光（尤其是紫外和可见光）的强度直接影响尘埃的吸收和加热程度。辐射强的区域尘埃温度较高。*尘埃的化学成分和形状：不同的化学成分（如纯碳、硅酸盐、水冰）具有不同的比热容和发射率，影响其升温和对辐射的吸收特性。非球形颗粒的散射特性也会影响其能量吸收。*气体温度和尘埃与气体的能量交换：气体通过碰撞与尘埃交换能量。在热平衡状态下，尘埃温度通常略低于气体温度。尘埃也会通过红外辐射向空间散热。5.答：星际尘埃是构成行星的主要原材料。研究星际尘埃的成分、大小分布、数量和分布可以帮助我们理解行星形成时可用的原材料种类和数量。观测尘埃在原行星盘中的分布和演化可以揭示行星形成过程中的物理过程（如尘埃聚集、气体流、盘不稳定性等）。此外，星际尘埃的化学演化（如表面催化反应合成有机分子）被认为是生命起源前条件的重要组成部分。因此，研究尘埃为理解我们太阳系乃至整个宇宙中生命的可能起源提供了关键线索。三、计算题(1)单位体积内的尘埃发射功率P_v:尘埃发射功率与发射率、亮度、频率和空间体积关系为：P_v=(L_ν/(4π))×ε_ν×(hν^3/(c^2ε_r^2))×(1/(e^(hν/k_BT_d)-1))，其中L_ν是测得亮度，ε_ν是发射率，h是普朗克常数，ν是频率，c是光速，k_B是玻尔兹曼常数，T_d是尘埃温度，ε_r是相对论修正因子（对于远红外通常可取1）。但更常用的关系是P_v∝L_ν/(4πd^2)，其中d是距离。在本题情境下，我们假设L_ν已给出，且考虑单位体积的功率与亮度（单位面积、单位频率）的关联。更直接地，如果视作黑体，单位体积功率与黑体辐射度相关。但题目给出发射率ε_ν，直接计算单位体积发射功率需要知道空间尺度或视几何。若按标准辐射度量关系推导，则单位体积发射功率与亮度（单位面积、单位频率）和发射率成正比。为简化计算，假设L_ν直接与单位体积内某种辐射相关（非严格物理推导，仅作示例）。设单位体积内某种等效辐射功率为Q_v=L_ν/(4πd^2)，则P_v=ε_ν×Q_v。假设观测距离d=1pc=3.086×10^16m，则Q_v=10^9Wm^-2sr^-1Hz^-1/(4π(3.086×10^16)^2)≈2.68×10^-27Wm^-3Hz^-1。P_v=0.8×2.68×10^-27Wm^-3Hz^-1≈2.14×10^-27Wm^-3Hz^-1。注意：此计算基于对题意的假设，严格物理意义需更明确的几何和物理模型。若仅求与亮度的比例关系，则P_v∝ε_νL_ν。(2)尘埃平均温度T_d:利用维恩位移定律λ_maxT_d=2.898×10^-3m·K，并查找红外发射谱峰值对应的波长λ_max。假设在λ=25μm处为峰值（题目已给），则T_d=(2.898×10^-3m·K)/(25×10^-6m)≈115.92K。或者，如果假设观测亮度对应于某个温度下的特定发射曲线峰值（更复杂），则需积分计算。最常用的是黑体近似下的峰值频率关系或直接用维恩定律。四、论述题论述星际尘埃在恒星和行星形成过程中所扮演的关键角色。星际尘埃是恒星和行星形成过程中不可或缺的媒介和原材料。其演化贯穿了从分子云到行星系统的整个宇宙结构形成阶段。形成阶段：星际尘埃的形成主要在分子云中通过两种途径：捕获形成和碰撞形成。捕获形成发生在足够低温（<30K）的区域，气体分子（如水、氨、甲烷）在尘埃表面冻结，形成富冰或富有机物的尘埃颗粒。碰撞形成可能涉及金属元素通过星际气体碰撞聚合，或微小颗粒间的碰撞粘附。这些尘埃颗粒构成了分子云中主要的固体成分，其存在显著影响着云的动力学和化学演化。恒星形成与原行星盘阶段：当分子云在引力作用下坍缩形成原恒星时，尘埃颗粒也随气体一同下落。由于尘埃比气体更易受到引力沉降的影响，它们会更快地向原恒星吸积盘的中心迁移。在吸积盘中，尘埃颗粒通过相互碰撞和粘附不断增长，形成更大的颗粒、卵石、星子。这个过程被称为聚集（coagulation），通常从毫米级颗粒开始，逐步增长。同时，尘埃与气体之间的相互作用至关重要。气体输运过程（由尘埃吸收和释放气体引起）调节着尘埃和气体的相对运动，影响盘的结构和演化。尘埃对入射星光有强烈的吸收和散射，其辐射压是推动尘埃颗粒（尤其是较大颗粒）