2025年大学《天文学》专业题库- 星际尘埃在宇宙尘埃中的比例

2025年大学《天文学》专业题库——星际尘埃在宇宙尘埃中的比例考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪一项不属于通常所说的“星际尘埃”的主要物理成分？A.硅酸盐B.碳质颗粒（如石墨）C.金属原子核D.水冰晶体2.当星光穿过富含星际尘埃的介质时，其蓝色光比红色光更容易被散射，这种现象被称为：A.赤红效应B.星光偏振C.光谱红移D.光度减弱3.在讨论星际介质中尘埃的相对丰度时，“尘埃质量占星际气体（主要指氢和氦）质量的比例”通常指的是：A.尘埃颗粒数量与气体原子数量的比例B.尘埃总质量与气体总质量的百分比（约1%）C.尘埃体积与气体体积的比例D.尘埃密度与气体密度的比值4.以下哪种天文现象是星际尘埃对恒星亮度产生影响的最直接证据？A.恒星的周期性变光B.恒星的视向速度变化C.恒星的颜色变红（reddening）D.恒星的谱线多普勒频移5.估算某个方向星际尘埃丰度的常用方法之一是测量该方向的红外总辐射，这主要是因为：A.尘埃在可见光波段吸收强烈B.尘埃主要发出热辐射，且温度通常较高C.红外辐射能穿透可见光无法穿透的尘埃区D.红外望远镜成本较低6.超新星爆发被认为是触发星云中星际尘埃形成的重要机制之一，其主要贡献在于：A.提供形成硅酸盐所需的硅元素B.通过冲击波压缩气体，促进物理凝聚C.直接将恒星风中的金属元素转化为尘埃颗粒D.提供形成碳质尘埃所需的星际甲烷7.与年轻的、正在活跃形成的星系相比，观测到老年星系（如球状星团）时，其星光通常呈现更强的reddening现象，这暗示：A.老年星系周围的星际尘埃密度更大B.老年星系内部的恒星自身发出更多红光C.老年星系周围存在更弥散、更广泛的尘埃分布D.老年星系的光线传播了更长的路径穿过尘埃8.射电天文观测中，宇宙尘埃会：A.对来自后方的射电信号产生强烈的吸收B.对来自前方的射电信号产生强烈的散射C.主要发出可见光波段的光辐射D.导致射电信号的频谱发生蓝移9.在恒星演化后期，大质量恒星经历超新星爆发后留下的中子星或黑洞，其强大的磁场和吸积盘也可能成为星际尘埃的重要来源之一。A.（前半句判断对错）（后半句判断对错）B.（前半句判断对错）（后半句判断对错）C.（前半句判断对错）（后半句判断对错）D.（前半句判断对错）（后半句判断对错）10.如果我们仅凭光学望远镜观测，很难穿透某些弥漫的星际尘埃云去研究其内部的年轻恒星，而红外望远镜则能提供更好的观测效果。A.（前半句判断对错）（后半句判断对错）B.（前半句判断对错）（后半句判断对错）C.（前半句判断对错）（后半句判断对错）D.（前半句判断对错）（后半句判断对错）二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.星际尘埃对星光的影响主要包括______、______和辐射。2.星际尘埃的化学成分以碳和硅的氧化物为主，其尺寸通常在______微米量级。3.由于星际尘埃对蓝光的散射比红光更强，富含尘埃的星际云在可见光下通常呈现______色。4.衡量某个天体或天区受到星际尘埃消光影响的程度通常使用______（英文缩写）这一物理量，其定义为单位距离上的消光量。5.除了光学和红外波段，星际尘埃在______和______波段也会对天文观测产生显著影响。6.宇宙中尘埃的总体丰度估算是一个复杂的问题，它与宇宙的化学演化、恒星的演化历史以及______密切相关。7.早期宇宙中可能存在的由大质量恒星遗骸构成的______，被认为是目前已知宇宙中尘埃含量最高的区域之一。8.尘埃的______特性使其成为重要的天体冷却剂，年轻的、炽热的恒星发出的紫外辐射可以激发尘埃颗粒，使其发出红外辐射。9.通过测量恒星的光谱红移，可以了解该恒星相对于我们的运动速度，但这并不能直接告诉我们其是否穿越了星际尘埃云。10.尘埃是星际介质中______和______的关键参与者，影响着气体动力学、化学演化以及恒星和行星的形成过程。三、名词解释（每小题4分，共16分。请给出简洁、准确的定义）1.星际介质(InterstellarMedium,ISM)2.reddening3.尘埃柱密度(DustColumnDensity)4.红外光度计定标(InfraredPhotometryCalibration)四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述星际尘埃的两种主要来源及其形成机制。2.解释为什么观测来自银河系中心的恒星时，其颜色会比观测相同类型的银河系内其他区域恒星时显得更红？3.简要说明星际尘埃是如何影响我们观测遥远星系的光度（使其变暗）和颜色（使其变红）的。4.为什么说研究星际尘埃对于理解恒星和行星系统的形成过程至关重要？五、计算题（每小题8分，共24分。请列出必要的公式、步骤和结果）1.假设某个天区星际气体的密度为100厘米⁻³，平均分子量M_H≈1.3厘米³·克⁻¹·(原子质量单位)⁻¹。如果该天区星际尘埃的质量占星际气体总质量的1%，计算该天区单位体积内尘埃的质量（单位：克/厘米³）。2.观测发现，一颗位于我们银河系内、距离我们约500光年的蓝巨星（未受显著reddening影响，其B-V色指数约为0），在穿过一片星际尘埃云后，其B-V色指数观测值变为+1.5。假设该尘埃云的reddening效应主要发生在可见光波段，且遵循R_V=3.1（典型银河系尘埃的色散比），计算该尘埃云造成的消光量A_V（单位：mag/pc）。3.某个红外天文观测项目测得一个弥漫星云的总红外光度（8-100微米波段）为10³L_sun。假设该星云的物理大小约为10光年半径，其红外辐射主要来源于其中星际尘埃的热辐射。已知星际尘埃的有效发射温度T_d≈20K，利用斯特藩-玻尔兹曼定律σT⁴（其中σ≈5.67×10⁻⁸W·m⁻²·K⁻⁴）估算该星云内星际尘埃的总质量（单位：M_sun）。提示：红外光度与温度和半径的四次方成正比，质量与密度和体积成正比，但密度与温度有关。六、论述题（12分。请全面、深入地回答下列问题）讨论星际尘埃在恒星和行星形成过程中所扮演的关键角色，并说明其存在对于形成我们如今所见的行星系统类型可能产生的影响。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.C5.C6.B7.C8.A9.D10.A二、填空题1.吸收散射2.0.1-13.淡红4.A_V5.紫外射电6.重元素丰度7.超新星遗迹8.发射9.是10.化学演化恒星和行星形成三、名词解释1.星际介质(InterstellarMedium,ISM):指位于恒星之间，包含气体（主要是氢和氦，以及少量重元素）和尘埃（微小固体颗粒）的稀薄物质区域，广泛分布在星系中。2.reddening:指星光因为穿过星际尘埃云而发生的颜色变红的现象，主要是因为尘埃对蓝光的散射比红光更强，导致星光中蓝光成分相对减少。3.尘埃柱密度(DustColumnDensity):指垂直穿过单位面积（通常取1平方秒角秒）到达该面积的星际尘埃总质量，常用符号N_A或Σ表示，单位通常是克/平方厘米。4.红外光度计定标(InfraredPhotometryCalibration):指在红外天文学观测中，通过已知亮度的标准源或其他方法，确定红外光度计测得的信号强度（光通量）与实际星等或物理量之间关系的过程，是获取准确红外测量结果的基础。四、简答题1.星际尘埃的主要来源有两种：*恒星风：年轻的、大质量的恒星抛出的高速恒星风，其中包含多种元素原子，在星际介质中可以聚集成尘埃颗粒。*超新星爆发：大质量恒星死亡时发生的超新星爆发，产生强大的冲击波，加热周围气体，并将恒星核合成产生的重元素（如硅、碳、氧等）压缩并凝聚成尘埃颗粒。2.银河系中心区域比银道面其他区域含有更多的星际尘埃。这是因为银河系中心是一个恒星密度极高的区域，恒星形成活动也更为活跃。大量的年轻、炽热恒星以及超新星爆发产生了大量的尘埃，这些尘埃聚集在一起形成了密集的尘埃云。当来自银河系中心的星光（包含各种颜色的光）穿过这些密集的尘埃云时，会受到强烈的reddening作用，蓝光和紫光被优先散射掉，剩下更多的红光和红外光能够到达我们这里，因此观测到的星光颜色显得更红。3.星际尘埃对遥远星系观测的影响主要体现在：*光度变暗(Extinction):尘埃颗粒会吸收和散射星光，导致到达地球的星系总光量减少，使得星系看起来比实际更暗。*颜色变红(Reddening):如前所述，尘埃对蓝光的散射效率远高于红光，当星光穿过尘埃云时，蓝光被更多地散射掉或吸收，而红光穿透得更好，导致星系光谱中蓝光成分减少，红光成分相对增加，使得星系在照片上呈现红色，并且其测得的色指数（如B-V）会比没有尘埃影响的星系更大。4.星际尘埃在恒星和行星形成过程中扮演关键角色：*引力凝聚核心:星际气体云本身难以自行凝聚成恒星，因为气体分子会因碰撞而动量交换，保持温度和分散。尘埃颗粒具有固体形态，质量比气体分子大得多，且不易被气体分子碰撞加热而散开。尘埃颗粒可以通过范德华力或静电力相互吸引，形成尘埃聚集体（尘埃球），这些聚集体因为引力不稳定而进一步坍缩，成为原恒星的核心，这是恒星形成的必要第一步。*化学反应催化剂:尘埃表面为星际介质中的化学反应提供了巨大的表面积和相对稳定的化学环境。许多复杂的有机分子（如星际甲烷、氨、醛类等）被认为是在尘埃表面通过低温化学反应合成的，这些分子是构成星际分子云和未来行星大气、海洋的重要前体物质。*行星形成的基础物质:行星，特别是类地行星，主要由岩石和金属构成，而这些物质正是形成早期宇宙中固体尘埃的主要成分。尘埃颗粒是构成行星星子、行星核的基础材料，通过不断的吸积过程，最终形成了行星。五、计算题1.解：*气体密度n_H=100cm⁻³*气体平均分子量M_H≈1.3g/(mol·原子质量单位)=1.3g/mol*阿伏伽德罗常数N_A≈6.022×10²³mol⁻¹*气体数密度n_H=100cm⁻³*单位体积气体质量ρ_gas=n_H*(M_H/N_A)≈100cm⁻³*(1.3g/mol/6.022×10²³mol⁻¹)≈2.17×10⁻²¹g/cm³*尘埃质量占气体质量的1%=0.01*单位体积尘埃质量ρ_dust=ρ_gas*0.01≈(2.17×10⁻²¹g/cm³)*0.01≈2.17×10⁻²³g/cm³*结果：约2.17×10⁻²³克/厘米³2.解：*入射星光未受reddening影响，其原色指数V-B_0=0*穿过尘埃云后观测到的色指数V-B=+1.5*reddening量Δ(B-V)=(V-B)-(V-B_0)=1.5-0=+1.5mag*色散比R_V=3.1*消光量A_V=R_V*Δ(B-V)=3.1*1.5mag=4.65mag*结果：4.65mag/pc3.解：*总红外光度F_ir=10³L_sun*观测波段λ=8-100µm*有效发射温度T_d=20K*斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ≈5.67×10⁻⁸W·m⁻²·K⁻⁴*假设星云半径R=10ly=10*9.46×10¹⁵m=9.46×10¹⁶m*星云体积V=(4/3)πR³≈(4/3)π(9.46×10¹⁶m)³≈3.82×10⁵⁴m³*总红外辐射功率P_ir=F_ir*L_sun(其中1L_sun≈3.828×10²⁶W)*P_ir≈10³*3.828×10²⁶W=3.828×10²⁹W*总红外辐射功率P_ir=σ*T_d⁴*A(其中A是星云表面积)*A≈4πR²≈4π(9.46×10¹⁶m)²≈1.13×10³⁵m²*σ*T_d⁴*A=(5.67×10⁻⁸W·m⁻²·K⁻⁴)*(20K)⁴*(1.13×10³⁵m²)*σ*T_d⁴*A≈(5.67×10⁻⁸)*(1.6×10⁴)*(1.13×10³⁵)W*σ*T_d⁴*A≈1.02×10²²W*星云红外辐射功率与尘埃质量M_d成正比(假设V和T_d相对稳定)*M_d/M_sun≈P_ir/(σ*T_d⁴*A)*M_d/M_sun≈(3.828×10²⁹W)/(1.02×10²²W)≈3.75×10⁷*结果：约3.75×10⁷M_sun六、论述题星际尘埃在恒星和行星形成过程中扮演着至关重要的角色