2025年大学《天文学》专业题库- 星团内恒星的演化过程

2025年大学《天文学》专业题库——星团内恒星的演化过程考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种物理过程是恒星获得能量的主要来源？A.引力势能释放B.恒星内部的化学反应C.恒星吸收外部环境的光辐射D.恒星内部的放射性衰变2.恒星主序阶段的主要核反应是？A.碳氮氧循环B.质子-质子链反应C.氢壳层燃烧D.重核聚变3.决定恒星在主序阶段寿命长短的主要因素是？A.恒星的颜色B.恒星的化学成分C.恒星的初始质量D.恒星所处的星团环境4.一颗恒星离开主序阶段，向红巨星（或红超巨星）演化，意味着？A.恒星核心的氢已经完全消耗B.恒星核心的引力收缩停止C.恒星外层物质膨胀，表面温度下降D.恒星的核反应速率突然停止5.与小质量恒星相比，大质量恒星演化的显著特点是？A.主序阶段持续时间更长B.核反应仅限于核心区域C.晚期会经历剧烈的超新星爆发D.最终会形成质量较大的白矮星6.白矮星存在的关键限制条件是？A.核反应速率过快B.辐射压过大C.钱德拉塞卡极限D.质量损失过甚7.在赫罗图上，主序带大致反映了什么关系？A.恒星温度与密度的关系B.恒星光度与半径的关系C.恒星光谱类型与亮度的关系D.恒星质量与核反应类型的关系8.所谓的“主序.turn-off”点在赫罗图上的意义是？A.最年青的恒星所在的区域B.星团中质量最大的恒星所在的区域C.星团中剩余的主序星中最晚演化到的恒星所在的位置D.红巨星开始形成的转折点9.导致大质量恒星核心最终塌缩形成中子星或黑洞的主要力量是？A.核聚变产生的巨大能量B.恒星风的持续吹拂C.核心物质超过钱德拉塞卡极限或奥本海默极限时的引力D.恒星外部辐射压的急剧增强10.疏散星团与疏散星团相比，其主要区别在于？A.恒星的总质量B.恒星的年龄C.恒星的初始质量分布范围d.恒星的空间运动状态二、填空题（每空1分，共15分）1.恒星形成的主要场所是__________________，其核心条件是__________________。2.恒星生命周期的长短主要取决于其__________________，质量越大的恒星，其主序寿命通常__________________。3.恒星在主序阶段，通过核心的__________________反应将氢聚变为氦，并释放能量。4.当小质量恒星核心氢耗尽后，核心会收缩升温，外层受热膨胀，使其成为__________________。5.大质量恒星在红超巨星阶段后期，核心会合成直到__________________元素，最终核心会失去辐射压支持而塌缩。6.赫罗图是表示恒星__________________和__________________之间关系的图表。7.观测到一个星团中存在从主序星到红巨星（或红超巨星）的完整序列，但没有白矮星，这表明该星团的年龄大约为__________________。8.恒星质量损失可以通过__________________、__________________等方式发生，这对大质量恒星的演化路径有重要影响。三、判断题（每题1分，共10分）1.所有的恒星最终都会演变成黑洞。（）2.恒星内部的核反应必须克服质子间的库仑斥力。（）3.红矮星和红巨星都属于红巨星族，只是规模不同。（）4.白矮星虽然密度极高，但其内部已经停止了核反应。（）5.质子-质子链反应是太阳等低质量恒星内部的主要核反应。（）6.恒星的光谱类型与其表面温度直接相关，O型星比M型星温度高。（）7.疏散星团中的恒星由于互相引力作用较弱，预计可以维持其形态数十亿年。（）8.超新星爆发是恒星生命终结的一种方式，它可以将重元素散布到宇宙空间中。（）9.恒星的核合成产物仅限于其自身核心区域，不会扩散到星团内。（）10.主序星是指位于赫罗图主序带上的任何恒星，无论其质量大小。（）四、简答题（每题5分，共20分）1.简述恒星从星云坍缩形成的过程。2.比较小质量恒星（<8M☉）和大质量恒星（>8M☉）在主序阶段的主要区别。3.解释什么是赫罗图，并说明其在研究恒星演化中的作用。4.简述超新星爆发的可能机制及其重要性。五、论述题（每题10分，共20分）1.详细阐述大质量恒星从形成到最终命运（中子星或黑洞）的演化过程，并说明每个阶段的关键物理特征和转变原因。2.结合星团观测实例，论述研究星团内不同质量恒星演化过程的意义，并说明如何利用主序.turn-off点来确定星团年龄。试卷答案一、选择题1.B2.B3.C4.C5.C6.C7.B8.C9.C10.B二、填空题1.分子云（或分子云核心）；引力足够强以克服气体热运动2.初始质量；越短3.核聚变（或氢核聚变）4.红巨星（或红超巨星）5.铁6.光度；温度7.主序.turn-off的恒星的年龄8.恒星风；质量损失星风（或星风）三、判断题1.×2.√3.×4.√5.√6.√7.×8.√9.×10.×四、简答题1.简述恒星从星云坍缩形成的过程。解析思路：从宏观条件（引力不稳定）到微观过程（核心形成、吸积、核反应启动），描述关键阶段。答案要点：分子云在自身引力作用下或在触发因素（如附近超新星冲击波）作用下开始坍缩，中心区域密度和温度升高，形成原恒星核心。核心继续吸积周围物质，温度和压力急剧增加，当核心温度达到数百万开尔文时，核聚变（质子-质子链或碳氮氧循环）开始启动，产生的向外辐射压与向内的引力达到平衡，原恒星进入主序阶段，正式成为一颗恒星。2.比较小质量恒星（<8M☉）和大质量恒星（>8M☉）在主序阶段的主要区别。解析思路：从能量来源、核心条件、光度、半径、表面温度、主序寿命等维度进行对比。答案要点：小质量恒星主要经历质子-质子链反应，核心温度压力较低，体积较大，表面温度较低，光度较小，主序寿命极长（可达百亿年）；大质量恒星主要经历碳氮氧循环，核心温度压力极高，体积相对较小，表面温度极高，光度极大，主序寿命相对很短（可能只有几百万到几千万年）。3.解释什么是赫罗图，并说明其在研究恒星演化中的作用。解析思路：定义赫罗图（坐标轴含义），阐述其作为工具如何帮助可视化恒星特性和追踪演化。答案要点：赫罗图（Hertzsprung-RussellDiagram）是绘制恒星光度（或绝对星等）与表面温度（或光谱型）关系的图表。它清晰地展示了不同类型恒星的空间分布，形成了主序带、红巨星支/超巨星支、白矮星区等特征区域。通过赫罗图，可以识别恒星的类型，比较不同恒星的状态，更重要的是，可以追踪恒星在生命周期中移动的演化路径，理解其物理性质的变化规律。4.简述超新星爆发的可能机制及其重要性。解析思路：介绍两种主要机制（核心坍缩型、热核爆炸型），并说明超新星爆发对宇宙的意义。答案要点：超新星爆发机制主要有两种：对于大质量恒星，核心在铁核形成后失去能量来源，在引力作用下灾难性坍缩，形成中子星或黑洞，同时冲击波向外传播并加热外层物质，引发热核爆炸（核心坍缩型超新星，如类型II、Ib、Ic）；对于中等质量恒星，如果处于星团中并遭遇伴星，通过物质转移导致核心快速增重并发生热核爆炸（热核爆炸型超新星，如类型Ia）。超新星爆发是宇宙中合成并散播比铁更重元素的主要途径，其巨大的能量和物质抛射对星际介质、行星形成乃至星系演化都具有重要影响。五、论述题1.详细阐述大质量恒星从形成到最终命运（中子星或黑洞）的演化过程，并说明每个阶段的关键物理特征和转变原因。解析思路：按照时间顺序，分阶段描述演化历程（主序、红超巨星、核心坍缩、爆发/残留），并解释每个阶段的核物理和流体力学特征以及驱动其转变的关键因素。答案要点：*形成阶段：通过分子云引力坍缩形成，初始质量远大于太阳。*主序阶段：核心主要进行碳氮氧循环（CNO循环）将氢聚变为氦，释放巨大能量，处于核心的引力与内部辐射压平衡状态，位于赫罗图主序带的高端。此阶段相对短暂。*红超巨星阶段：核心氢耗尽后，外层包层开始壳层燃烧（氢、氦等），核心收缩增温，当核心温度足够高时开始聚变更重元素（氦、碳、氧…直至硅、铁）。核心引力持续增大，外层物质受热膨胀，恒星体积急剧增大，表面温度下降，呈现红色，成为红超巨星。此时恒星风非常强烈，导致显著的质量损失。*核心坍缩阶段：当核心物质合成铁元素时，由于铁核结合能最大，聚变停止不再释放能量。核心依靠电子简并压支撑。若核心质量超过钱德拉塞卡极限（约1.4M☉），电子简并压无法抵抗引力，核心将发生灾难性的引力坍缩。*最终命运阶段：核心坍缩时产生强大的冲击波向外传播，同时可能伴随中微子暴。冲击波将坍缩核心外层物质猛烈炸飞，形成极其明亮的超新星爆发（类型II、Ib、Ic）。对于坍缩形成的核心：*如果质量在奥本海默极限（约3M☉）以下，冲击波足以将其全部吹散，最终留下一个致密的白矮星。*如果质量超过奥本海默极限，冲击波无法压碎核心，核心将继续坍缩，最终形成密度极高的中子星（由中子简并压支撑）。*如果核心质量极大（远超奥本海默极限），中子简并压也无法阻止引力坍缩，最终会形成不具量子力学效应支撑的黑洞。2.结合星团观测实例，论述研究星团内不同质量恒星演化过程的意义，并说明如何利用主序.turn-off点来确定星团年龄。解析思路：首先强调星团作为“时间盒子”的优势，说明研究其内不同演化阶段恒星的意义。然后具体解释主序.turn-off点的定义、位置及其与年龄的直接关系。答案要点：*研究意义：星团中的所有恒星大致在同一时间形成，具有相似的初始化学成分和相同的年龄。通过观测星团中处于不同演化阶段的恒星（如主序星、红巨星、白矮星等），可以直接了解不同初始质量恒星从诞生到演化的完整生命历程。这有助于验证恒星演化理论，区分不同质量恒星演化的物理机制差异，理解元素合成与分布的规律，以及星团自身的动力学和演化历史。*利用主序.turn-off点确定年龄：在赫罗图上，主序星构成一条清晰的序列带。随着星团年龄增长，质量较大的恒星消耗核心氢的速度更快，会率先离开主序阶段，演变成红巨星或红超巨星。当星团中最后一个（质量最小）仍在主序燃烧的恒星出现时，所有比它质量大的恒星