2025年大学《天文学》专业题库- 恒星质量与演化关系研究

2025年大学《天文学》专业题库——恒星质量与演化关系研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、定义以下术语：1.恒星主序阶段2.钱德拉塞卡极限3.爱丁顿极限4.渐近巨星支（AGB）5.行星状星云二、选择正确的选项填在括号内：1.恒星在其生命历程中，产生能量的主要过程是（）。a)核聚变b)核裂变c)化学反应d)光合作用2.以下哪种类型的恒星最终会形成黑洞？（）a)低质量红矮星b)中等质量恒星c)大质量蓝超巨星d)白矮星3.决定恒星最终演化路径的最关键因素是（）。a)恒星的化学成分b)恒星形成的地点c)恒星的质量d)恒星的年龄4.当一个中等质量恒星耗尽其核心的氢燃料后，其外层会膨胀变红，进入（）。a)主序阶段b)红巨星阶段c)白矮星阶段d)超新星爆发阶段5.钱德拉塞卡极限主要限制了（）。a)恒星的最大半径b)恒星的最大质量c)恒星的最小密度d)恒星的核心温度三、请将下列恒星类型与其典型演化阶段用字母连接起来：A.主序星B.红巨星/超巨星C.白矮星D.中子星E.黑洞1.()-恒星生命最漫长、最稳定的阶段，核心进行氢核聚变。2.()-恒星核心耗尽燃料，外层膨胀、冷却、变红，体积急剧增大。3.()-大质量恒星超新星爆发后留下的致密核心，密度极高。4.()-恒星演化的最终阶段（对于中等及以下质量恒星），由碳氧核心构成，依靠电子简并压力支撑。5.()-超大质量恒星超新星爆发后留下的极端致密核心，引力压垮所有已知力，形成奇点。四、简答题：1.简述恒星质量是如何影响其主序阶段寿命的。2.解释什么是核反应链，并简要说明在像太阳这样的中等质量恒星中，氢燃烧主要涉及哪些反应。3.钱德拉塞卡极限为何重要？它对大质量恒星和小质量恒星的最终归宿有何不同影响？4.描述一下大质量恒星和小质量恒星在演化结束时的主要区别。五、论述题：结合恒星内部结构的基本原理（如流体静力学平衡、能量运输），论述恒星质量是如何决定其整个演化历史和最终命运的过程。在论述中，请特别提及关键的质量限值（如钱德拉塞卡极限）及其物理意义。试卷答案一、定义以下术语：1.恒星主序阶段：恒星在其生命周期中，核心主要进行氢核聚变（主要是质子-质子链或CNO循环）以产生能量的稳定阶段。大部分恒星都处于此阶段，并遵循主序定理，其光度与质量呈近似立方关系。2.钱德拉塞卡极限：由苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡推导出的理论上限，即一个只依靠电子简并压力支撑的白矮星，其最大质量约为1.4倍太阳质量（M☉）。超过此质量，电子简并压力无法平衡引力，白矮星将不稳定并发生坍缩。3.爱丁顿极限：恒星表面所能承受的最大辐射压强，由阿瑟·爱丁顿提出。它限制了恒星的最大光度与质量的比值。当恒星试图超过此极限时，强烈的恒星风会将物质吹散，防止恒星无限膨胀。对于主序星，此极限通常比实际光度高得多。4.渐近巨星支（AGB）：恒星在核心氦耗尽后，核心外层开始收缩加热氦壳，同时外层物质快速膨胀、冷却，进入的一个体积巨大、亮度较高且不稳定的演化阶段。在此阶段，恒星外壳发生剧烈的核反应，产生各种重元素和分子，并通过强大的恒星风损失大量质量。5.行星状星云：中等质量恒星（小于约8-10倍太阳质量）在核心变成白矮星、外层物质被抛射出去后形成的稀薄、高温、具有美丽形态的气体和尘埃云。核心白矮星位于星云中心，对其加热，使内层气体发出强紫外辐射，电离外层气体，产生发射线光谱。二、选择正确的选项填在括号内：1.()a)核聚变*解析：恒星通过核心区域的核聚变反应将氢转化为氦，并在此过程中释放巨大的能量，这是恒星发光发热的根本原因。2.()c)大质量蓝超巨星*解析：只有质量足够大的恒星（通常大于8-10倍太阳质量）才有足够的引力将其核心压缩到极高的温度和密度，从而点燃碳氧核聚变及更重的元素链反应。这些大质量恒星最终会因引力坍缩而发生超新星爆发，留下的核心如果质量超过钱德拉塞卡极限，就会形成黑洞。3.()c)恒星的质量*解析：恒星的质量决定了其核心的引力压缩程度、核心温度和压力，进而决定了核反应的速率和种类。质量是区分恒星不同演化路径和最终命运的最根本因素。4.()b)红巨星阶段*解析：当中等质量恒星核心的氢燃料被耗尽后，核心收缩释放热量，导致外层急剧膨胀和冷却，使其呈现红色，体积和光度显著增加，进入红巨星阶段。5.()b)恒星的最大质量*解析：钱德拉塞卡极限是白矮星所能承受的最大质量上限。对于质量超过此极限的白矮星，电子简并压力无法抵抗引力，核心会不稳定并发生灾难性坍缩，通常导致超新星爆发或形成中子星/黑洞。三、请将下列恒星类型与其典型演化阶段用字母连接起来：A.主序星-1.()-恒星生命最漫长、最稳定的阶段，核心进行氢核聚变。B.红巨星/超巨星-2.()-恒星核心耗尽燃料，外层膨胀、冷却、变红，体积急剧增大。C.白矮星-4.()-恒星演化的最终阶段（对于中等及以下质量恒星），由碳氧核心构成，依靠电子简并压力支撑。D.中子星-3.()-大质量恒星超新星爆发后留下的致密核心，密度极高。E.黑洞-5.()-超大质量恒星超新星爆发后留下的极端致密核心，引力压垮所有已知力，形成奇点。四、简答题：1.简述恒星质量是如何影响其主序阶段寿命的。*解析：恒星在主序阶段通过核心的氢核聚变产生能量，维持与引力的平衡。根据恒星结构理论，恒星的光度（L）与其质量（M）的关系大致为L∝M³（对于主序星）。恒星消耗氢的速率与其核心温度和密度有关，而核心温度和密度又与质量密切相关，大致成正比关系（M∝Tcore∝ρcore）。因此，质量越大的恒星，其核心温度和密度越高，氢核聚变的速率越快，消耗氢燃料的速率也越快，总能量输出越多（光度越高）。同时，根据质能方程E=mc²，维持更高光度需要消耗更多的质量。综合来看，恒星质量越大，主序寿命越短；反之，质量越小，主序寿命越长。大致上，主序寿命（tmain）与质量（M）的关系为tmain∝M/L∝M⁻².5。2.解释什么是核反应链，并简要说明在像太阳这样的中等质量恒星中，氢燃烧主要涉及哪些反应。*解析：核反应链是指在恒星核心的高温高压条件下，一种原子核通过一系列连续的核反应，最终转变成另一种稳定或不同种类的原子核的过程。这些反应通常释放大量能量。在像太阳这样的中等质量恒星中，核心温度约为1500万开尔文，主要进行的是质子-质子链反应（p-p链）。此链反应的初始反应是4个氢核（质子，p）经过以下步骤转化为1个氦核（α粒子，即氦-4原子核）：1.p+p→D+e⁺+νₑ(+能量)2.p+D→³He(+能量)3.³He+³He→⁴He+2p(+能量)其中，D是氘核，e⁺是正电子，νₑ是电子中微子。整个p-p链的净反应是4p→⁴He+2e⁺+2νₑ+26.7MeV。CNO循环（碳氮氧循环）在更高温度（约2000万K以上）的恒星中更为重要，也是将氢转化为氦的途径，但太阳核心温度尚未高到足以使CNO循环成为主要过程。3.解释什么是钱德拉塞卡极限，并说明它对大质量恒星和小质量恒星的最终归宿有何不同影响？*解析：钱德拉塞卡极限（约1.4M☉）是一个理论值，代表一个只依靠电子简并压力（由泡利不相容原理产生）来对抗自身引力的白矮星的最大质量。当白矮星的质量低于此极限时，电子简并压力足以平衡引力，使其稳定存在。当白矮星的质量达到或超过此极限时，电子简并压力无法再有效抵抗引力，核心物质将发生灾难性的引力坍缩。对于小质量恒星（最终形成白矮星），在其演化末期，如果质量不超过钱德拉塞卡极限，它会通过辐射和恒星风损失质量，最终稳定成一个白矮星。对于大质量恒星，当其核心燃料耗尽后，其外层会发生剧烈的超新星爆发，将大部分质量抛入空间。如果爆发的核心残骸（核心质量）超过钱德拉塞卡极限，那么引力坍缩将无法被电子简并压力阻止，会继续坍缩，最终可能形成中子星（如果核心质量在钱德拉塞卡极限与奥本海默极限之间）或黑洞（如果核心质量超过奥本海默极限）。4.描述一下大质量恒星和小质量恒星在演化结束时的主要区别。*解析：大质量恒星和小质量恒星在演化结束时的主要区别体现在核心最终形成的致密天体类型、演化过程中的能量释放方式以及损失的质量数量上。小质量恒星（<~8M☉）在耗尽核心燃料后，外层膨胀变红形成红巨星，最终将外层物质抛射成行星状星云，留下由碳和氧构成的核心，依靠电子简并压力支撑，形成白矮星。其整个演化过程相对“温和”，大部分质量损失发生在红巨星阶段。大质量恒星（>~8M☉）演化过程更为剧烈。它们核心温度和压力极高，能点燃一系列从氢到铁的核反应链。在核心形成铁核后，由于铁核聚变不释放能量反而吸收能量，核心不再能产生足够的能量支撑自身，引力坍缩引发剧烈的超新星爆发，将大部分外层物质以极高速度抛射到太空中，形成美丽的超新星遗迹。超新星爆发的核心残骸（称为“中核”）会继续坍缩。如果中核质量小于奥本海默极限（约3M☉），最终会形成致密的中子星，由强大的neutrondegeneracypressure支撑。如果中核质量超过奥本海默极限，neutrondegeneracypressure也会失效，引力将彻底压垮一切已知的物质阻力，形成一个没有实体表面、只有极端引力场和奇点的黑洞。五、论述题：结合恒星内部结构的基本原理（如流体静力学平衡、能量运输），论述恒星质量是如何决定其整个演化历史和最终命运的过程。在论述中，请特别提及关键的质量限值（如钱德拉塞卡极限）及其物理意义。请从恒星形成、主序阶段、结束阶段分别阐述。*解析：恒星的质量是其演化历程的核心决定因素，这源于恒星内部必须满足的两个基本条件：流体静力学平衡和能量运输。流体静力学平衡要求核心产生的向内引力被核心外部的压强所平衡。能量必须从核心（产生处）输送到恒星表面（排放处），以维持稳定状态。恒星质量直接影响这两个条件的满足方式和演化终点。1.恒星形成阶段：恒星起源于星际云中的引力坍缩。坍缩形成的原恒星云块的质量决定了其最终的恒星质量。质量较小的云块形成的恒星，其核心引力较弱，达到流体静力学平衡所需的核心温度和密度也较低。质量较大的云块形成的恒星，核心引力更强，需要更高的温度和密度来建立平衡。2.主序阶段：恒星进入主序阶段后，核心主要通过氢核聚变（p-p链或CNO循环）产生能量。质量决定了核心的密度和温度，进而决定了核反应的速率和类型。根据流体静力学平衡和能量运输的要求，质量越大的恒星，其主序寿命越短。这是因为它们光度更高（L∝M³），消耗燃料更快，同时核心反应速率更快，引力收缩更剧烈。主序阶段的演化路径主要由质量决定。3.结束阶段：当恒星耗尽核心的氢燃料后，演化路径发生根本性分化，这再次由质量决定。*小质量恒星（<~8M☉）：核心停止聚变收缩，核心外层受热膨胀，形成红巨星。核心温度升高，点燃氦核聚变（通常为氦闪），之后可能经历碳、氧等元素壳层燃烧。最终，外层物质通过恒星风被剥离，形成行星状星云，核心暴露出来，成为白矮星。白矮星依靠电子简并压力支撑，不再进行核聚变，逐渐冷却变暗。其最终命运受限于钱德拉塞卡极限。如果白矮星的质量超过此极限（例如通过吸积或双星相互作用），引力将胜过电子简并压力，导致灾难性坍缩。*中等质量恒星（~8-10M☉）：演化类似小质量恒星，但最终形成的白矮星质量可能接近钱德拉塞卡极限。结局同样是通过恒星风失去外层，留下白矮星。*大质量恒星（>~8M☉）：演化迅速，核心能点燃一系列重元素链反应直至铁。铁核形成后，聚变停止，核心失稳并发生引力坍缩，引发剧烈的超新星爆发（如核心坍缩型超新星SNII或SNIb/c）。大部分质量被抛射出去，留下致密的核心残骸。钱德拉塞卡极限在此阶段的意义在于，它定义了中等质量恒星最终形成的白矮星质量上限，而大质量恒星则会超越这个极限。核心残骸的质量决定了最终命运：如果残