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普考申論題 108年 [天文] 天文學概要

第 一 題

📖 題組:
一、
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

測量超過數百光年外的恆星距離,視差法為何派不上用場?(2 分)

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看到此題,應立即聯想恆星視差的基本幾何公式 d = 1/p。接著將距離(數百光年)轉換為秒差距,計算出對應的極小視差角,最後結合地面大氣擾動(視寧度)與望遠鏡解析度極限,說明為何如此微小的角度變化無法被測量。

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【解題思路】利用恆星視差公式 $d = 1/p$ 說明距離與視差角成反比,並結合望遠鏡解析度極限與地球大氣擾動(視寧度)進行分析。 【詳解】 已知:恆星視差公式為 $d = \frac{1}{p}$,其中 $d$ 為目標天體距離(單位:秒差距 pc,1 pc $\approx$ 3.26 光年),$p$ 為觀測性質中的視差角(單位:角秒 arcsec)。

小題 (二)

這時需要依賴特定恆星或天體作為標準燭光,請說明標準燭光(standard candle)的運作原理為何?(6 分)

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看到「標準燭光」,首先應聯想到光度與亮度的平方反比定律,區分天體的「本徵性質(絕對星等/光度)」與「觀測性質(視星等/視亮度)」。作答時務必列出距離模數公式,並補上星際消光(Interstellar Extinction)等環境干擾因素,以展現嚴謹的天體物理邏輯。

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【破題】「標準燭光」(Standard Candle)是指已知其「本徵光度」(或絕對星等)的天體。其運作原理是藉由比較天體真實的發光能力與地球上測得的觀測亮度,利用平方反比定律推算該天體與地球的距離。 【論述】 一、物理符號與定義

小題 (三)

可以作為標準燭光的天體必須具備那三種主要的特性?原因為何?(12 分)

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看到「標準燭光」,考生應立即聯想距離模數公式:m - M = 5 log d - 5 + A。思考推導距離 d 需要哪些條件:(1) 本徵光度 (M) 必須已知或可推導;(2) 亮度要夠亮,才能在極遠距離被觀測到 (視星等 m 於望遠鏡極限內);(3) 觀測上容易辨識,且能校正星際消光 (A) 等環境干擾。

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【破題】 「標準燭光」(Standard Candle)是天文學中用於建立宇宙距離階梯(Cosmic Distance Ladder)的基準天體。其核心原理源自距離模數公式:$m - M = 5 \log d - 5 + A_V$(其中 $m$ 為視星等,$M$ 為絕對星等,$d$ 為距離,$A_V$ 為星際消光)。要作為標準燭光,天體必須具備以下三種主要特性: 【論述】

小題 (四)

測量遙遠的星系距離時,常用的標準燭光是那兩種特別的天體?(5 分)

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看到「標準燭光」,應先聯想距離模數原理:利用已知「本徵光度(絕對星等)」的天體,結合觀測到的視星等來求得距離。接著對應宇宙距離尺度階梯,星系尺度最核心的兩個測距工具即為具備周光關係的「造父變星」,以及峰值光度一致的「Ia型超新星」。

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【破題】 測量遙遠星系距離時,最常使用的兩種標準燭光(Standard Candles)為「造父變星」與「Ia型超新星」。兩者皆具備可預測之本徵性質(絕對星等 $M$),透過測量觀測性質(視星等 $m$),並代入距離模數公式 $m - M = 5 \log_{10} d - 5 + A$(其中 $d$ 為秒差距距離,$A$ 為星際物質造成的消光效應),即可精確定量星系距離。 【論述】

小題 (五)

請說明這兩種標準燭光的特性。(5 分)

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看到「標準燭光」,首要聯想距離模數公式 $m - M = 5 \log d - 5 + A$,核心在於尋找已知「本徵光度(絕對星等 $M$)」的天體。因題幹未明示,作答時應直接切入天文測距最經典的兩種標準燭光:「造父變星」(恆星脈動與周光關係)與「Ia型超新星」(白矮星質量極限與光變曲線),並比較其物理機制與適用距離尺度。

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【破題】 標準燭光(Standard Candles)係指「本徵光度(或絕對星等 $M$)」為已知或可透過觀測特徵推導出的天體。觀測其視星等($m$)後,即可代入距離模數公式 $m - M = 5 \log d - 5 + A_{\lambda}$ ($d$為距離,單位秒差距;$A_{\lambda}$為星際消光)求得距離。以下針對天文測距中最關鍵的兩種標準燭光進行說明(假設題組原指此二者): 【論述】

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