2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 星际气体电离过程研究

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际气体电离过程研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。）1.在星际介质中，导致气体电离的主要物理过程不包括：(A)宇宙射线的光致电离(B)恒星紫外辐射的光致电离(C)星际尘埃粒子的碰撞电离(D)中性原子之间的碰撞电离2.对于一个处于局部热动平衡（LTE）状态的电离区，以下哪个物理量主要取决于温度和密度，而与激发源强度无关？(A)氢原子处于n=2能级的电子数密度(B)氢的21厘米谱线发射强度(C)电离区中电子的总数密度(D)氢原子处于基态的比例3.以下哪种天体或天体现象通常被认为是一个典型的、由点光源（如恒星）驱动的电离区域？(A)行星际分子云(B)星际云(C)HII区(D)逆行星环4.当星际气体云的部分区域被电离时，未电离的区域（分子云或中性云）通常表现出：(A)发射光谱特征(B)对星光产生明显的散射(C)对特定波长（如21厘米）的电磁波产生吸收(D)强烈的射电脉冲信号5.在讨论星际气体电离过程时，“电离度”这一概念指的是：(A)电离区气体温度与宇宙背景温度之比(B)电离区中电子数密度与总粒子数密度的比值(C)电离区气体密度与标准密度的比值(D)恒星紫外辐射强度与背景辐射强度之比6.以下哪种电离机制主要发生在密度极高、温度相对较低的星际介质中？(A)光致电离(B)宇宙射线电离(C)碰撞电离(D)离子-中性粒子碰撞电离7.电离区边界的形状和性质主要受以下哪个因素的显著影响？(A)星际磁场强度(B)电离源的光谱能量分布(C)电离区的电子密度(D)星际尘埃的分布8.观测到的高频（如远紫外）发射线，对于研究星际气体电离过程具有重要意义，主要是因为它们可以用来：(A)确定电离区的空间尺度(B)直接测量电离区的电子温度(C)诊断电离区的电子密度和化学成分(D)探测星际尘埃的分布9.巴耳末系吸收线在通过电离区时，其强度随距离的变化可以用来推断：(A)电离区电子密度的分布(B)电离区重元素的丰度(C)电离区星际尘埃的含量(D)电离区恒星的空间运动速度10.对于非LTE条件下的电离区，以下哪个陈述是正确的？(A)发射线的强度可以直接反映激发源的能量(B)原子和离子的分布与局部温度和密度密切相关(C)电离度仅由温度决定(D)观测到的粒子数密度比LTE预测的要低二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在横线上。）1.星际气体中的主要电离过程包括光致电离、__________电离和__________电离。2.描述电离区物理状态的基本参数通常包括电子密度、温度和__________。3.当电离区膨胀时，其内部的电离度通常会__________（填“增加”、“减少”或“不变”）。4.氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级所发射的光子属于__________系列。5.21厘米谱线对应于氢原子从__________态跃迁到__________态所产生的辐射。6.宇宙射线在高能电离星际气体时，除了直接电离外，还可以通过__________过程间接产生影响。7.估计一个电离区的电子温度，除了可以利用发射线轮廓外，还可以考虑其与__________的关系。8.在星际介质中，__________是主要的紫外辐射源，对低密度气体的电离起主导作用。9.如果一个电离区的观测数据符合LTE条件，那么我们可以认为其内部__________（填“满足”或“不满足”）能量局部守恒。10.电离区的“几何半径”通常是指__________的范围。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出以下名词的精确定义。）1.电离度2.局部热动平衡(LTE)3.HII区4.光致电离5.碰撞电离四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述宇宙射线在星际气体电离过程中可能扮演的角色。2.解释为什么分子云通常位于电离区的“阴影”之中。3.简要说明如何利用发射线的强度随距离的变化来估计电离区的电子密度分布。4.为什么说观测电离区的谱线轮廓对于判断其是否处于LTE状态非常重要？五、论述题（每小题10分，共30分。请就下列问题展开论述。）1.试讨论影响星际气体电离区大小的主要因素有哪些，并说明它们是如何影响电离区边界的。2.论述为什么对星际气体电离过程的研究对于理解恒星和星系的形成演化具有重要意义。3.假设我们观测到一个正在膨胀的电离区，请讨论在这个过程中，其内部可能发生的物理变化（如电子密度、温度、电离度等）以及观测到的谱线特征可能如何随之改变。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.C5.B6.C7.B8.C9.A10.B二、填空题1.宇宙射线；粒子撞击2.化学组成3.减少4.巴耳末5.激发；基6.蓄电池效应（或：次级电离）7.等离子体参数（或：发射线的线宽、跃迁概率）8.恒星9.满足10.光学薄（或：几何开放）的区域三、名词解释1.电离度：指电离区内被电离的粒子数（通常是电子数）占总粒子数的比例。2.局部热动平衡(LTE)：一种近似状态，在这种状态下，粒子的分布遵循麦克斯韦速度分布，并且辐射与粒子处于热平衡，即发射线的强度仅由温度决定。3.HII区：指被恒星紫外辐射电离的区域，其中氢主要以H⁺离子的形式存在，呈现出发射光谱特征。4.光致电离：指高能光子（通常是紫外光子）将其能量传递给中性原子，使其电离成离子和自由电子的过程。5.碰撞电离：指高能带电粒子（如电子、离子或宇宙射线粒子）与中性原子发生碰撞，将能量传递给中性原子使其电离的过程。四、简答题1.简述宇宙射线在星际气体电离过程中可能扮演的角色。解析思路：宇宙射线是高能带电粒子流。它们可以通过直接碰撞将能量传递给中性原子使其电离（碰撞电离），也可以通过产生次级粒子（如π介子衰变产生的正电子和μ子）间接电离星际气体（蓄电池效应）。宇宙射线在高密度云的边缘或作为主要的电离剂在高密度区域起作用。2.解释为什么分子云通常位于电离区的“阴影”之中。解析思路：分子云由密集的中性气体（主要是H₂）组成，其中尘埃颗粒含量高。恒星紫外辐射是主要的电离剂，但能量会被尘埃颗粒强烈吸收。吸收了紫外辐射的尘埃会使得其后的气体无法被有效电离，形成一个相对于电离源而言的“阴影”区域。分子云因其高密度和尘埃含量，更容易形成这种阴影。3.简要说明如何利用发射线的强度随距离的变化来估计电离区的电子密度分布。解析思路：电离区的强度随距离的变化受到两个主要因素的调制：一是电离区本身的扩展（光学厚度效应）；二是随着距离增加，来自内部不同区域的辐射传播了不同的距离，经历了不同的电子密度。通过分析特定发射线强度随距离的变化曲线（例如，使用帕邢-博德曲线或更复杂模型），可以反推电离区内部的电子密度分布。4.为什么说观测电离区的谱线轮廓对于判断其是否处于LTE状态非常重要？解析思路：在LTE状态下，谱线的强度仅由温度决定，轮廓相对简单。如果谱线轮廓偏离了LTE预测的形状（例如，存在显著的发射线翼、非高斯线型），则表明系统偏离了LTE，可能存在不透明性（导致光学厚度效应）、非热平衡过程或粒子分布与温度分布不一致。因此，通过观测谱线轮廓可以诊断系统是否满足LTE条件。五、论述题1.试讨论影响星际气体电离区大小的主要因素有哪些，并说明它们是如何影响电离区边界的。解析思路：主要因素包括：1）电离源强度：更强的紫外辐射源能更快地电离前方的气体，导致更大的电离区半径。2）电离源的光谱能量分布（SED）：不同波段的辐射对应不同的电离能力，SED决定了电离效率随距离的变化，从而影响边界形状。3）星际介质密度：气体密度越高，电离所需的辐射能量越大，电离前沿的推进速度越慢，导致电离区半径越小。4）星际磁场：磁场可以约束带电粒子（包括电子），影响其能量损失和扩散，从而改变电离区的形状和大小，尤其对磁场较强的区域。这些因素共同决定了电离区边界的位置和形状。2.论述为什么对星际气体电离过程的研究对于理解恒星和星系的形成演化具有重要意义。解析思路：研究电离过程有助于我们：1）了解恒星（特别是早型星）的物理性质（如紫外输出、寿命），因为它们是主要的电离源。2）揭示星际介质的组成和状态（如电子密度、温度、化学丰度），因为电离过程与这些参数密切相关。3）确定恒星和星云的空间分布及相互作用，因为电离区与恒星形成区紧密相连。4）提供观测电离区（HII区）作为“实验室”来检验等离子体物理和辐射传输理论。5）理解星云的演化历史，因为电离过程是星云从不透明分子云向透明电离区转变的关键驱动力，也影响着恒星形成的过程和效率。最终，对电离过程的理解有助于构建恒星形成和星系构建的整体图像。3.假设我们观测到一个正在膨胀的电离区，请讨论在这个过程中，其内部可能发生的物理变化（如电子密度、温度、电离度等）以及观测到的谱线特征可能如何随之改变。解析思路：膨胀过程中：1）电子密度：由于膨胀，气体粒子被稀释，电子密度随时间（或距离）增加而降低。2）温度：膨胀通常伴随着冷却，除非有外部能量持续注入，否则电子温度可能会下降。3）电离度：膨胀使得气体与电离源的距离增加，受电离辐