2025年天文学天体物理专项训练试卷（含答案）

2025年天文学天体物理专项训练试卷（含答案）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括号内）1.以下哪个天体物理量用于表示一个天体表面单位面积、单位时间内向外辐射的总能量？()A.亮度B.光度C.发射率D.温度2.根据开普勒第三定律，假设两个天体的中心距离保持不变，则它们的公转周期平方与轨道半长轴立方之比（T²/a³）的值取决于？()A.两个天体的质量B.引力常数C.两个天体的质量以及引力常数D.以上都不对，该比值是恒定的3.恒星光谱中，吸收线的出现表明了什么？()A.恒星内部正在进行核聚变B.光在穿过恒星外部大气层时，某些波长的光被吸收C.恒星正在远离我们D.恒星正在向我们靠近4.赫罗图（Hertzsprung-RussellDiagram）主要用于区分和展示什么类型的恒星？()A.行星和矮星B.恒星和星系C.恒星和星云D.不同温度和光度（或颜色）的恒星5.光度（Luminosity）与亮度（Brightness）的主要区别在于？()A.光度是绝对值，亮度是相对值B.光度是随距离变化的，亮度是恒定的C.光度是描述天体自身发光能力的，亮度是描述从地球看到的天体明暗程度D.以上都对6.宇宙微波背景辐射（CMB）的主要特征是？()A.来自年轻恒星的强烈射电信号B.一种可见光波段、遍布宇宙的微弱辐射C.一种遍布宇宙、温度极低（约2.7K）的黑体辐射D.没有特征，只是随机噪声7.在银河系中，太阳系大致位于？()A.核心球内部B.核心球边缘到银晕的过渡区域C.银河系旋臂上D.银河系旋臂之间的空隙8.黑洞形成的主要机制被认为是？()A.大质量恒星在生命末期发生引力坍缩B.星系碰撞和合并产生的巨大引力扰动C.恒星内部发生核聚变反应失控D.暗物质坍缩9.“红移”（Redshift）现象主要是由什么引起的？()A.源头天体正在发出红光B.观测仪器对红光的敏感度降低C.观测者与源头天体之间相对远离（多普勒效应或宇宙膨胀）D.观测者与源头天体之间相对靠近（多普勒效应）10.下列哪项不是构成现代宇宙学基本框架的大爆炸理论的关键预测？()A.宇宙正在膨胀B.宇宙中存在大量暗物质C.宇宙起源于一个极端致密炽热的状态D.宇宙微波背景辐射的存在二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.恒星的能量主要来源于其内部的________反应。2.光年是天文学上常用的________单位，它实际上是指光在真空中传播一年的距离。3.描述星系旋涡结构的特征是存在________和旋臂。4.根据宇宙膨胀理论，遥远的星系发出的光波会因宇宙膨胀而变长，这种现象称为________。5.恒星的表面温度与其颜色呈反相关关系，温度高的恒星通常呈现________色，温度低的恒星通常呈现________色。6.牛顿万有引力定律描述了两个质点之间的引力与它们的质量乘积成正比，与它们之间距离的________成反比。7.天文学家通过测量天体的________来估算其距离，这种方法被称为视差法。8.“暗能量”被认为是导致宇宙加速膨胀的一种可能原因，它被认为是填充宇宙的具有________的能量形式。9.质量数（A）等于原子核中质子数（Z）和中子数（N）的________。10.恒星的赫罗图大致将恒星分为两大类：主序星和________。三、计算题（共30分）1.（10分）一颗位于距离地球100光年的恒星，其光度为太阳光度的10倍。假设太阳到地球的距离为1光年，请计算这颗恒星在地球上的视亮度（亮度）是多少太阳亮度的倍数？请写出计算过程。2.（10分）已知一颗恒星的光谱类型为B0V，其表面有效温度约为20000K。根据斯特藩-玻尔兹曼定律（L∝T⁴），估算该恒星的光度大约是太阳光度的多少倍？请写出计算过程，并说明使用了哪些近似或假设。3.（10分）观测发现，位于室女座的某个星系（名称暂略）的红移量z=0.5。根据哈勃定律（v=H₀d，其中v为recessionvelocity,d为distance,H₀为哈勃常数，取值约为70km/s/Mpc），如果我们将该星系的红移速度近似视为其实际退行速度，并且假设1Mpc（兆秒差距）约等于3.26百万光年，请估算该星系距离地球的大致距离是多少光年？请写出计算过程。四、简答题（共30分）1.（10分）简述恒星从主序阶段演变成红巨星的主要过程及其原因。2.（10分）解释什么是宇宙膨胀？为什么通过观测遥远星系的光谱红移可以推断宇宙在膨胀？3.（10分）什么是暗物质？天文学家提出暗物质存在的依据有哪些？试卷答案一、选择题1.B2.C3.B4.D5.C6.C7.C8.A9.C10.B二、填空题1.核聚变2.距离3.核心球4.蓝移5.蓝；红6.二次方7.视差8.负压强（或排斥力/负能量密度）9.和10.球状星团/巨星团三、计算题1.解析思路：视亮度与距离的平方成反比。根据亮度反平方定律，L₁d₁²=L₂d₂²。已知L₁（太阳光度）/L₂（目标星光度）=10，d₁（日地距离）/d₂（目标星地距离）=100/1=100。则视亮度比L₂/L₁=d₁²/d₂²=1/100²=1/10000。目标星的视亮度是太阳亮度的1/10000倍。答案：视亮度比L₂/L₁=d₁²/d₂²=(1光年)²/(100光年)²=1/10000。该恒星在地球上的视亮度是太阳亮度的1/10000倍。2.解析思路：根据斯特藩-玻尔兹曼定律L∝T⁴。假设两颗恒星具有相同的半径（R），则它们的亮度比L₁/L₂=(T₁/T₂)⁴。已知T₁（B0V星温度）=20000K，T₂（太阳温度）≈5800K。则L(B0V)/L(太阳)=(20000/5800)⁴≈(3.448)⁴≈131.5。估算结果约为太阳光度的132倍。答案：L(B0V)/L(太阳)=(T(B0V)/T(太阳))⁴=(20000K/5800K)⁴≈(3.448)⁴≈131.5。该恒星的光度大约是太阳光度的132倍。3.解析思路：红移量z=Δλ/λ₀。其中Δλ是波长偏移量，λ₀是原始波长。对于小红移，v≈cz，其中c是光速(≈3×10⁸m/s)。哈勃定律v=H₀d。将v≈cz代入，得到cz=H₀d。距离d=cz/H₀。已知z=0.5，H₀≈70km/s/Mpc。需要将单位统一，1Mpc≈3.26×10⁶光年。d=(0.5×3×10⁸m/s)/(70km/s/Mpc)=(1.5×10⁸m/s)/(70×10³m/s/Mpc)=1.5×10⁵Mpc。将Mpc换算为光年：d=1.5×10⁵Mpc×3.26×10⁶光年/Mpc=4.89×10¹¹光年。估算结果约为490亿光年。答案：d=cz/H₀。已知z=0.5，H₀≈70km/s/Mpc，c≈3×10⁸m/s。d=(0.5×3×10⁸m/s)/(70×10³m/s/Mpc)=1.5×10⁵Mpc。1Mpc≈3.26×10⁶光年。d≈1.5×10⁵×3.26×10⁶光年≈4.89×10¹¹光年。该星系距离地球约490亿光年。四、简答题1.解析思路：主序星通过核心的氢核聚变产生能量，处于引力与内部压力的平衡状态。当核心氢燃料耗尽后，核心收缩增温，导致核心外部区域的氢开始聚变，产生更多能量。外部区域膨胀、冷却，导致星体整体体积增大，表面温度降低，颜色变红，从而演变成红巨星。核心的持续收缩会进一步点燃氦核聚变等。2.解析思路：宇宙膨胀是指宇宙空间本身随时间膨胀，导致星系之间的距离随时间增加。多普勒效应说明，如果一个物体远离观察者，其发出的光波会被拉伸，频率降低，波长变长，表现为红移。观测发现，绝大多数遥远星系的光谱都存在红移现象，且距离越远，红移量越大。这表明这些星系都在远离我们，并且其退行速度与距离成正比（哈勃定律）。因此，通过观测遥远星系的光谱红移，可以推断宇宙在膨胀。3.解析思路：暗物质是一种不与电磁力发生作用的、不发光或不反射光的物质形式。它不直接可见，但可以通过其引力效应被间接探测到。提出暗物质存在的依据主要