2021年广东省中学生天文知识竞赛高年组试题
2021年9月25日下午14:00-16:00 闭卷
注意事项：
1、本卷为闭卷考试，请答卷人按照自己的真实水平独立完成。
2、选择题全部为单项选择，考生直接在试题页面中点选一个最接近正确的答案，答错不扣分。
3、总分100分，每题2分，考试时间90分钟。
4、本场考试允许使用不具编程功能的计算器。
5、考试开始后45分钟方可交卷。
6、比赛结果将在广东天文学会网站和微信公众号公布。
姓名：__________ 年级：__________ 班级：__________ 得分：__________
Part 1. 天文热点
1. 我国的“天问一号”火星探测器在今年5月15日成功释放着陆器携带火星车________登陆火星表面。
A. 祝融号 B. 火神号
C. 荧惑号 D. 萤火号
2. 北京时间2021年4月19日下午，________无人机在火星上完成首次试飞，成为首个在地球以外的行星上御风飞行的人造物体。
A. 毅力号 B. 机智号
C. 好奇号 D. 敏捷号
3. 在我国境内，今年5月26日可以观测到
A. 月全食 B. 日环食
C. 日全食 D. 日偏食
4. 以下哪颗行星在9月达东大距？
A. 水星 B. 金星 C. 火星 D. 土星
5. 关于筹划多年的平方公里阵列（SKA），下列说法中不准确的一项是？
A. 于今年7月正式启动建设工作
B. 今年4月29日全国人大常委会批准《成立平方公里阵列天文台公约》的决定
C. 今年2月，平方公里阵列天文台正式成立
D. 中频阵列在澳大利亚，低频阵列在南非
6. 2020年年底，曾为世界上最大的单孔径射电望远镜的________发生倒塌。
A. 波恩望远镜
B. 绿岸望远镜
C. 帕克斯望远镜
D. 阿雷西博望远镜
7. 广州大学天文系于2020年11月成立，计划招收天文专业本科生。目前为止，广东省内有天文学院或者天文系的高校有哪两所？
A. 中山大学、广州大学
B. 华南理工大学、广州大学
C. 华南师范大学、广州大学
D. 暨南大学、广州大学
8. 2021年3月，中国国家航天局与哪个国家/地区联盟的航天公司签署了关于合作建设国际月球科研站的谅解备忘录？
A. 美国 B. 巴基斯坦
C. 俄罗斯 D. 欧盟
9. 下列哪个彗星并非于2021年回归近日点
A. C/2020 T2 Palomar
B. 7P/Pons-Winnecke
C. 15P/Finlay
D. 46P/Wirtanen
10. 今年年中，空间望远镜________曾因故障停机1个多月。
A. HST B. GAIA
C. CSST D. TESS
Part 2. 基础知识
11. 太阳目前处于第25个活动周期，一个太阳活动周期平均长度为？
A. 1年 B. 6年 C. 11年 D. 60年
12. 月球的年龄约为？
A. 20亿年 B. 30亿年
C. 40亿年 D. 45亿年
13. 一位在南半球念书的留学生发现有两个云雾状天体围绕南天极做周日视运动，它们的视直径分别约为10度和5度，它们最可能是？
A. 大麦哲伦云和小麦哲伦云
B. M31星系和M33星系
C. 猎户座大星云和昴星团星团
D. M57环状星云和M27哑铃星云
14. 在不同的节气，观测者对同一物体测得的正午日影长度不同，这反映太阳正午高度角在一年里会随时间变化。在广州，以下哪个节气的正午日影最长？
A. 清明 B. 夏至 C. 立冬 D. 冬至
15. 中国传统的星官“鬼宿”其主体位于哪个星座？
A. 长蛇座 B. 双子座
C. 摩羯座 D. 巨蟹座
16. 用双筒望远镜可以比直接用肉眼看到更多星星，这是主要是因为？
A. 双筒望远镜物镜焦距比人眼长，拥有更大的放大率
B. 双筒望远镜物镜直径比人眼瞳孔直径大，拥有较强的聚光本领
C. 双筒望远镜物镜焦距比人眼长，拥有更小的底片比例尺
D. 双筒望远镜的玻璃质量比人眼晶状体的更好
17. 人类已经向火星发射过不少登陆器，但甚少有登陆金星的项目，本世纪至今更是一次金星登陆任务也没有。以下哪项对金星登陆器的探测任务影响最大？
A. 天文学家对金星不感兴趣
B. 金星表面环境太恶劣，探测器难以长时间工作
C. 金星位于地球轨道以内，很难控制轨道精确制动
D. 金星云层太厚，行星科学家对金星地貌一无所知
18. 奎宿九（仙女座β）的视星等为2等，织女星的亮度约为奎宿九的？
A. 6.3倍 B. 15.9倍
C. 20倍 D. 0.16倍
19. 以下哪一个叙述不正确？
A. 根据目前观测，可观测宇宙内各种组分占比约为：常规物质占5%、暗物质占27%、暗能量占68%
B. 偏离频道的老式电视机会显示满屏雪花（噪声），其中包含来自宇宙微波背景辐射的贡献
C. 因为天体间的引力作用，宇宙膨胀的速度正在减慢
D. 宇宙微波背景辐射存在涨落，温度差异接近十万分之一的量级
20. 分子云是恒星诞生的摇篮。在分子云中，大部分氢以H2的形式存在，难以通过中性氢原子谱线来示踪物质的分布和运动。但有一种丰富度仅次于氢分子的极性分子，在射电波段能产生较强的信号，指示分子气体的踪迹，帮助天文学家了解分子云的物理信息。这种分子是？
A. CH3COOH B. CO
C. N2 D. NO
Part 3. 观测与应用
Ⅰ. 模拟观测
受现实条件制约，广东省内某天文社从上年至今一直无法组织外出观测活动。为了让社员们了解基本的观测知识，观测部长经过向指导老师申请后，在一个多云的晚上带领社员们用手机和平板开展星空辨认活动。他们利用常见天文App中的AR功能，透过屏幕观测所指方向的天空实况，从而了解现在天空中的天体分布。图1-A和图1-B是活动图中的手机截屏，时间是北京时间。请根据它们回答21-26小题。
21. 观测部长首先介绍春季大三角和春季大圆弧，当他介绍大角星时画面如图1-A所示。此时大角星出现的方位接近？
A. 正南 B. 正北 C. 正东 D. 正西
22. 出现图1-A的画面后，接下来该如何移动屏幕，找到角宿一？
A. 向左移动 B. 向上移动
C. 向下移动 D. 向右移动
23. 在图1-A左下方圈选的位置附近有一个著名的深空天体，它是？
A. M13 B. M35 C. M44 D. M92
24. 当观测部长回到拱极星区时，一位新社员才发现他手机中的画面和别人的不同，具体情况如图1-B所示。观测部长看了他的手机设置，发现这位同学时间设置正确，但没打开定位，所以系统自动获取经纬度失败，导致模拟错误。这位同学的APP选定的观测纬度约？
A. 23°S B. 47°N C. 46°S D. 38°N
25. 这位同学模拟的观测地经度与他真实所在地的经度差约为？
A. 在真实地点以东183°35′
B. 在真实地点以东19°56′
C. 在真实地点以西107°45′
D. 在真实地点以西13°55′
26. 观测日期最有可能是以下哪天？
A. 3月1日 B. 3月16日
C. 4月1日 D. 5月15日
Ⅱ. 宜居带
液态水对生命而言，是一种常见且重要的介质。天文学中对宜居带的定义，也多和星球表面是否能稳定存在液态水有关。在上世纪，Kasting等人给出一套经典的宜居带模型（Kasting et al. 1993）。该模型在一个和地球类似的星球上，构建一个以氮气为背景，包含CO2和H2O两种气体的大气，然后分析这个星球拥有不同地表温度时到恒星的距离，判断恒星周围能让星球表面能稳定存在液态水的空间范围，从而划定宜居带。后来Kopparapu等人在Kasting等人的模型上进行了改进（Kopparapu et al.2013），表2-A和图2-A给出了新模型的部分结果。
27. 判断宜居带外边界时，模型选取了地表平均温度能保持273K的判据。当地表平均温度小于273K，气压为1标准大气压时，大气中的温室效应主要由哪种物质贡献？
A. H2O B. N2
C. H2CO3 D. CO2
28. 计算宜居带的外边界时，模型会根据水的损失效果判断一个临界距离。当行星过于接近太阳，水将会快速散逸，这过程主要由恒星辐射导致高层大气水分子的离解和逃逸过程主导。但当行星稍微过度接近太阳时，大气中的二氧化碳还能相对保持稳定（例如金星大气），主要原因是？
A. 碳、氧原子的相对原子量比氢大，且碳氧双键的键能比氢氧键的键能大
B. 二氧化碳对高能光子的透明度显著高于水分子
C. 大气内部合成二氧化碳的效率随温度升高而增加，与大量逃逸的二氧化碳达到平衡
D. 二氧化碳的比水的沸点高
29. 根据表2-A的结果，我们可以发现同等条件下？
A. 恒星周围宜居带的位置与行星大小无关
B. 质量越大的行星，宜居带外边界越远离恒星
C. 质量越大的行星，宜居带越宽
D. 质量越小的行星，宜居带内边界越接近恒星
30. 根据图2-A中Kopparapu等人的计算结果以及表2-B的信息，当一颗和地球相同的行星出现在一颗K5型主序星附近时？
A. 宜居带中心半径约0.3 AU
B. 宜居带宽度约0.31 AU
C. 如果行星的轨道参数与水星一样，它将完全位于宜居带内
D. 如果行星的轨道参数与木星一样，它将位于宜居带内
31. 我们对宜居行星的判断，总是依赖特定的模型。但任何模型都会有不完善的地方，例如Kopparapu等人的模型对宜居带的判断并没有完整地考虑云层、磁场和其它温室气体等因素的影响。如果你听到有人说某颗系外类地行星是宜居星球，下面理解中不准确的一项是？
A. 宜居星球至少允许简单的单细胞生物生存
B. 宜居星球表面可能不适合人类生存
C. 宜居星球一定位于宜居带内
D. 发现宜居星球不代表发现外星生命
Ⅲ. 食变星
一对互相绕转的双星以合适的角度朝向我们时，我们将看到双星相互掩食，产生光变。这类变星天文学家称为食变星。在本届复赛中，我们将要处理涉及食变星观测的问题。现在我们先从理论上做一些简单的模型分析，以及介绍必要的概念。设双星系统中两星质量分别为M1和M2，轨道为正圆形，轨道半径分别为r1和r2，且M1 > M2，轨道倾角为90°（轨道面与视线平行），辐射流分别为F1和F2，视星等分别为m1和m2，请回答32-41小题。
32. 以下哪种变星不属于食变星
A. 天琴座β型变星
B. 大陵型变星
C. 大熊座W型变星
D. 蒭藁型变星
33. 双星系统中的两颗成员星在引力的作用下围绕公共质心旋转。设运动轨道为圆轨道，下列选项中准确反映两星相对位置关系的示意图是？
34. 若双星轨道平面与视线平行，以下哪项正确描述了双星轨道周期P、恒星的质量与轨道半径的关系？
35. 金牛座λ是一颗较明亮的食变星，光变周期约4天，亮度在3.37-3.91等之间变化。主星质量为7.2倍太阳质量，光谱型B3 V型；伴星质量为1.9倍太阳质量，光谱型A4 IV型，变星距离为148 pc。关于金牛座λ系统下列说法最不准确的是？
A. 两颗成员星之间的距离与它们的直径相差不大
B. 伴星的年龄远大于主星的年龄
C. 伴星和主星之间发生过明显的物质交流
D. 伴星正向红巨星演化
36. 我们还可以测量双星的光谱，通过多普勒效应得到成员星的视向速度变化曲线。下面哪项准确反映了视向速度v随时间t变化情况？
37. 图3-A是某颗食变星的光变曲线。在一个周期里，光变曲线出现两次极小，较深的一次称为主极小，较浅的一次称为次极小。关于食变星光变曲线的普遍形态，下列观点最准确的是这？
A. 当两星互不遮掩时出现主极小
B. 当表面半径较大的恒星掩盖半径较小的恒星时出现主极小
C. 当表面温度高的恒星掩盖表面温度低的恒星时出现次极小
D. 当质量小的恒星掩盖质量大的恒星时出现次极小
38. 在观测变星时，受现实条件制约，甚少能在一个光变周期内获取完整的光变曲线。天文学家一般需要结合多次观测的数据，通过一定的数学物理方法初步确定变星的周期，然后通过相位图描画出天体的光变曲线。光变曲线的相位一般定义为φ = (t − t0)⁄P − N，这里P是光变周期，t0是计时起算时刻，对食变星一般选其中一次主极小时刻为t0，t是任意时刻，N是指从t0时刻到t时刻之间经过的主极小次数（不算t0那次）。这样任意时刻t都可以换算为0到1之间的相位值，它表示了该时刻光变周期完成的进度。若某变星的主极小出现在8月3日18:00，光变周期为3.5天，则8月16日0时的相位为？
A. 0 B. 0.25 C. 0.5 D. 0.75
39. 图3-A光变曲线的极小之间，变星的亮度会间隔地维持稳定，形成“平台”，此阶段变星亮度也最高。在“平台”阶段，食双星的遮掩情况是？
A. 互不遮掩
B. 主星掩伴星
C. 伴星掩主星
D. 主星与伴星中心重合
40. 有时候，食变星光变曲线的极小会出现“平底”（非测量误差导致），如图3-B就是其中一个例子。出现这种“平底”结构通常意味着？
A. 轨道偏心率很大
B. 掩食过程中出现全食或环食
C. 两成员星的半径接近
D. 双星发生物质交流
41. 若两星的表面温度T1 > T2，半径R2 > R1。当这种“平底”状的极小出现时，次极小和主极小的亮度比为？
Ⅳ. 摇摆的星点
距离是重要的参数之一，天文学家有很多不同的方法测量天体距离，其中三角视差法是测量近邻恒星距离最精确的方法。如下图所示，如果仅考虑地球的公转运动，一年中对恒星在天球上的位置进行高精度测量，恒星的位置将呈现为一个椭圆型的轨迹，称为视差椭圆。天文学家通过观测获得视差椭圆，即可定出天体的周年视差。
发射于2013年的欧洲空间局盖亚（Gaia）卫星于2014年7月25日开始了科学观测，在光学波段扫描全天恒星，获取了它们的位置、周年视差、自行、视向速度等参数。它通过三角视差的方法测定了银河系内超过13亿颗恒星的距离，为我们对银河系的形成和运动状况提供了宝贵的数据。
42. 周年视差是以________天文单位的有效基线测得的恒星视差。
A. 10 B. 5 C. 2 D. 1
43. 下列说法中正确的是？
A. 视差椭圆的半短轴张角等于周年视差
B. 视差椭圆的半长轴张角等于周年视差
C. 视差椭圆的半焦距张角等于周年视差
D. 视差椭圆半长轴与半短轴之和的一半等于周年视差
44. 图4-A展示了天赤道附近某恒星去除了自行后的位置变化图。通过椭圆轨迹可测得该恒星的周年视差为？（mas表示毫角秒）
A. 142.1 mas B. 296.3 mas
C. 51.0 mas D. 107.8 mas
45. 根据距离判断，图4-A中测量的最可能是下列哪颗恒星？
46. 除了视差，恒星还会因自行而出现位置变化。图4-B是上述恒星在自行和周年视差共同作用下4条可能的运动轨迹，原点是轨迹的出发点。根据44小题的结果，请问哪一条轨迹最符合真实情况？
A. ① B. ② C. ③ D. ④
47. 除自行外，对盖亚卫星来说，以下哪项也会显著影响恒星位置的测量结果？
A. 蒙气差
B. 视宁度
C. 光行差
D. 地球公转过程中日地距离的变化
48. 根据恒星位置的不同，恒星周年视差的轨迹也不一样。当恒星处于哪个位置时周年视差轨迹为一条线段？
A. 北黄极 B. 北银极
C. 黄道上 D. 天赤道上
49. 身在木星的观测者对盖亚卫星非常感兴趣，也发射了木星的盖亚卫星并与地球的盖亚卫星同时开始科学观测。假设木星的观测者需要恒星在天空中画出完整的椭圆轨迹后才能测定视差，那么他们还要观测多久才能测定？
A. 约半年 B. 约10年
C. 约12年 D. 约5年
50. 在得到完整的视差椭圆之后，木星的观测者测得的视差椭圆长轴张角是地球卫星测得的周年视差的几倍？
A. 10.4倍 B. 5.2倍 C. 1倍 D. 0.2倍
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答案速查
1-5 A B A A D
6-10 D A D C A
11-15 C D A D D
16-20 B B A C B
21-25 C D C A B
26-30 D D A B B
31-35 C D A B B
36-40 A D B A B
41-45 D D B A D
46-50 B C C D A
注：高年组第23题因试卷印刷问题，评分时已做作废处理。
逐题答案与解析
1. A 祝融号是中国首辆火星车，于2021年5月15日随天问一号着陆器成功登陆火星乌托邦平原。
2. B 机智号（Ingenuity）直升机于2021年4月19日在火星上完成首次试飞，是人类首个在外星实现动力飞行的飞行器。
3. A 2021年5月26日的月全食，我国大部分地区可见“带食月出”：月亮升起时已进入偏食甚至全食阶段，越往东（如东部沿海）能看到的过程越长，可看到生光、复圆；我国看不到食既之前的阶段。故选A。
4. A 2021年9月，水星达到东大距，是观测水星的好时机。
5. D D项把两个阵列的所在国说反了：SKA中频阵列（SKA-Mid）建在南非，低频阵列（SKA-Low）建在澳大利亚西部。A项7月正式启动建设、B项4月29日全国人大常委会批准公约、C项2月平方公里阵列天文台（SKAO）正式成立均属实。故选D。
6. D 阿雷西博望远镜（Arecibo）于2020年12月1日因钢缆断裂导致馈源平台坠落，望远镜严重损毁。
7. A 广东省内设有天文学院或天文系的高校是中山大学（物理与天文学院，珠海校区）和广州大学（天文系，2020年11月成立）。故选A。
8. C 2021年3月，中国国家航天局与俄罗斯国家航天集团签署关于合作建设国际月球科研站的谅解备忘录。
9. D 46P/Wirtanen的周期约5.4年，上一次过近日点是2018年12月，下一次要到2024年，故2021年并不回归近日点；而C/2020 T2（Palomar）2021年7月、7P/Pons-Winnecke 2021年5月、15P/Finlay 2021年10月都过近日点。故选D。
10. A 2021年6月13日哈勃空间望远镜（HST）的载荷计算机突然死机，主镜与科学仪器全部进入安全模式，经地面团队一个多月的排查，7月15日恢复科学观测，与“年中停机1个多月”吻合。故选A。
11. C 太阳活动周期平均长度约为11年，第25个太阳活动周期于2019年12月开始。
12. D 月球年龄约为45亿年，目前主流模型认为月球形成于约45亿年前的巨撞击事件。
13. A 大麦哲伦云和小麦哲伦云是南半球可见的两个云雾状天体，围绕南天极做周日视运动，视直径分别约10度和5度。
14. D 冬至时太阳正午高度角最小，日影最长。广州位于北回归线以南，冬至日太阳位于正南方最低位置。
15. D 鬼宿是中国传统星官之一，主体位于巨蟹座（M44/鬼宿星团即积尸气所在）。
16. B 双筒望远镜物镜直径远大于人眼瞳孔（约7mm），聚光能力更强，因此能看到更暗的恒星。
17. B 金星表面温度高达460°C，大气压为地球90倍，且充满硫酸云层，探测器难以长时间工作。
18. A 视星等差 2.00−0.03≈1.97 等，由普森公式亮度比 =10^(1.97/2.5)=10^0.79≈6.2 倍，与6.3倍最接近。故选A。
19. C 选项C不正确。当前观测表明宇宙膨胀正在加速而非减慢，暗能量是导致加速膨胀的原因。
20. B CO（一氧化碳）是分子云中丰富度仅次于H2的极性分子，在射电波段有较强辐射，是示踪分子气体的主要手段。
21. C 由图1-A的地平线与方位标尺可见，大角星位于画面正前方、方位角接近90°，即接近正东；春季前半夜它正从东方升起，在画面中刚过地平不久。故选C。
22. D 角宿一位于大角星的东南方向，从大角星沿春季大圆弧继续延伸或向右移动可找到角宿一。
23. C （作废题）因试卷印刷问题，该题评分时已做作废处理。
24. A 根据手机截屏中拱极星的运动轨迹和天极位置，可推算观测纬度约为23°S（南半球）。
25. B 根据时间差异和地球自转速度，经度差约为19°56′，在真实地点以东。
26. D 根据春季大三角的位置和AR模拟结果，观测日期最可能是5月15日。
27. D 当温度低于273K时，H2O会凝结成液态水或冰，不再以气态形式贡献温室效应，此时CO2成为主要的温室气体。
28. A 碳、氧原子的相对原子量比氢大，且碳氧双键的键能比氢氧键的键能大，使得CO2分子更难被光解和逃逸。
29. B 表2-A显示：行星质量越大，引力越强、大气柱越厚，温室效应越强，要维持同样的表面温度就必须离恒星更远，因此宜居带的外边界明显向外推（内边界也随之略向外移）；而宜居带宽度的变化并不显著。故选B。
30. B K5型主序星质量约为0.7倍太阳质量，根据图2-A和表2-B数据，宜居带宽度约0.31 AU。
31. C 选项C不准确。宜居星球不一定位于宜居带内，例如木卫二因潮汐加热可能在宜居带外仍存在液态水海洋。
32. D 蒭藁型变星是脉动变星，不属于食变星。天琴座β型、大陵型、大熊座W型均为食变星。
33. A 双星围绕公共质心旋转，两星始终位于质心两侧，轨道半径与质量成反比。
34. B 根据开普勒第三定律和牛顿万有引力定律，轨道周期P、质量M与轨道半径a的关系为P² ∝ a³/M。
35. B 两颗成员星同时形成，年龄相同，谈不上“伴星年龄远大于主星”；主星7.2 M☉演化极快、已接近晚期，而1.9 M☉的伴星仍停在A4 IV阶段，只是“看起来更年轻”，年龄并不更大。其余三项（两星间距与直径相差不大、发生过物质交流、伴星正走向红巨星）都符合观测。故选B。
36. A 食变星的两颗恒星做圆周运动，视向速度随时间呈正弦变化，且两星速度曲线反相。
37. D 质量小的成员星温度低、表面亮度（面亮度）也低。当它从前方遮住质量大、更热更亮的星时，被挡住的亮区比例小，总亮度下降幅度小，形成较浅的次极小；反之热星遮住冷星时下降最深，才是主极小。故选D。
38. B 8月3日18:00为主极小时刻t0，8月16日0时与t0相差12天6小时=12.25天。相位φ = 12.25/3.5 - N = 3.5 - 3 = 0.5。
39. A 在“平台”阶段，两星互不遮掩，各自独立发光，亮度最高且稳定。
40. B 平底结构意味着在掩食过程中出现了全食或环食，即一颗星完全遮挡另一颗星或形成环状遮挡。
41. D 当T1 > T2且R2 > R1时，次极小与主极小的亮度比可通过辐射公式计算。
42. D 周年视差是以1天文单位（日地平均距离）为基线测得的恒星视差。
43. B 视差椭圆的半长轴张角等于周年视差。对于黄道上的恒星，视差轨迹为线段；对于黄极的恒星，视差轨迹为圆。
44. A 从图4-A的椭圆轨迹可测得周年视差约为142.1 mas。
45. D 由 d=1/π=1/0.1421≈7.0 pc（约23光年），再结合图4-A中恒星所在的天区与亮度即可定出是哪一颗。故选D。
46. B 结合自行方向和视差椭圆轨迹，轨迹②最符合真实情况。
47. C 光行差是由于地球公转速度导致的光线方向变化，对盖亚卫星的恒星位置测量有显著影响。
48. C 当恒星位于黄道上时，周年视差轨迹为一条线段（沿黄道方向）。
49. D 盖亚2014年开始科学观测，到2021年已积累约7年；而在木星轨道上，视差椭圆的周期就是木星的公转周期（约11.9年），要画满一个完整椭圆还需约 11.9−7≈5 年。故选D。
50. A 周年视差对应视差椭圆的半长轴。木星轨道半径约5.2 AU，基线是地球的5.2倍，故木星测得的半长轴张角为地球的5.2倍；而椭圆的“长轴张角”是半长轴的2倍，所以长轴张角是地球周年视差的 2×5.2=10.4 倍。故选A。