2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙結(jié)構(gòu)的演化與動力學考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.根據(jù)廣義相對論，宇宙的大尺度時空結(jié)構(gòu)主要由什么決定？(A)電磁力(B)核力(C)引力(D)強相互作用2.宇宙微波背景輻射是哪種天體物理過程的殘余？(A)現(xiàn)代超新星爆發(fā)(B)早期宇宙大爆炸的“余暉”(C)宇宙弦振動(D)中子星碰撞3.在標準Lambda-CDM宇宙模型中，驅(qū)動宇宙加速膨脹的神秘力量通常被稱為什么？(A)恒星風(B)暗物質(zhì)(C)暗能量(D)宇宙塵埃4.導致宇宙大尺度結(jié)構(gòu)（如星系團、超星系團）形成的初始密度擾動主要是由于什么？(A)大麥哲倫云的引力擾動(B)早期宇宙暴脹產(chǎn)生的原初擾動(C)本星系群的引力不穩(wěn)定(D)宇宙線與星際氣體碰撞5.哈勃定律（v=H?d）描述了什么關(guān)系？(A)恒星的光譜線紅移與恒星質(zhì)量的關(guān)系(B)星系團的光度與其大小之間的關(guān)系(C)星系退行速度與其距離之間的關(guān)系(D)星系自轉(zhuǎn)速度與其半徑之間的關(guān)系6.如果一個宇宙的密度參數(shù)Ω_m（物質(zhì)密度）+Ω_Λ（暗能量密度）大于1，那么這個宇宙將被歸類為什么類型？(A)開宇宙(B)封閉宇宙(C)平坦宇宙(D)球狀宇宙7.暗物質(zhì)的主要證據(jù)來源于對什么天體系統(tǒng)動力學行為的觀測？(A)行星環(huán)(B)星系旋臂(C)星系團(D)隕石坑8.宇宙學中的“視界”通常指的是什么？(A)宇宙膨脹的邊界(B)光線傳播的極限距離(C)恒星生命的終點(D)宇宙微波背景輻射的起源區(qū)域9.所謂的“標準燭光”在宇宙學中指的是什么？(A)發(fā)出標準亮度的恒星(B)有固定物理性質(zhì)的、可用于測量距離的天體(C)距離我們標準為1光年的燭(D)蠟燭狀的宇宙探測器10.弗里德曼方程描述了什么？(A)星系核中黑洞吸積物質(zhì)的過程(B)恒星內(nèi)部核反應(yīng)的能量產(chǎn)生機制(C)宇宙尺度上物質(zhì)密度隨時間演化的規(guī)律(D)恒星形成過程中氣體云的碎裂二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.描述宇宙膨脹加速的宇宙學方程參數(shù)通常用_________表示。2.根據(jù)大爆炸理論和宇宙演化，宇宙最早期的階段是熾熱、致密的_________時期。3.在星系團中，星系之間的平均速度遠大于僅由可見物質(zhì)產(chǎn)生的引力所能束縛的速度，這強烈支持了_________的存在。4.宇宙微波背景輻射具有黑體譜，其溫度約為_________開爾文。5.Lambda-CDM模型中的“Lambda”（Λ）代表_________項，它通常與暗能量相關(guān)聯(lián)。6.如果宇宙是平坦的，那么其總密度參數(shù)Ω_total=_________。7.引力不穩(wěn)定性理論認為，宇宙中微小的初始密度起伏會在引力的作用下逐漸增長，最終形成宏觀結(jié)構(gòu)，這是_________形成的核心機制。8.測量哈勃常數(shù)H?是宇宙學中的一個關(guān)鍵問題，它代表了宇宙膨脹的_________。9.除了暗物質(zhì)和暗能量，構(gòu)成宇宙物質(zhì)的主要組成部分是_________和普通重子物質(zhì)。10.弱引力透鏡效應(yīng)是指由前景物體的引力場引起的背景光源光線的_________。三、簡答題（每小題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述暴脹理論的主要作用及其對早期宇宙的影響。2.解釋什么是宇宙的“視界問題”（HorizonProblem）以及暴脹理論如何提供解決方案。3.比較并說明暗物質(zhì)和暗能量的主要區(qū)別（例如來源、性質(zhì)、對宇宙的影響等方面）。四、計算題（每小題10分，共20分。請寫出必要的公式、步驟和結(jié)果）1.假設(shè)在一個簡單的、僅由物質(zhì)構(gòu)成（無暗能量）的平坦宇宙模型中，宇宙年齡T與哈勃常數(shù)H?的關(guān)系為T=1/H?。已知當前測得的哈勃常數(shù)H?≈70km/s/Mpc。請計算該宇宙的年齡（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。注意單位轉(zhuǎn)換：1Mpc≈3.09×1022m。2.一個位于距離我們d=500Mpc的星系團，通過觀測發(fā)現(xiàn)其中心區(qū)域星系的平均線速度v_avg≈1000km/s。假設(shè)該星系團受到的引力主要由其總質(zhì)量（包括暗物質(zhì)）提供，并且可以近似看作一個質(zhì)量均勻分布的球體。請估算該星系團的總質(zhì)量M（結(jié)果以太陽質(zhì)量M☉為單位）。已知引力常數(shù)G≈6.67×10?11N·m2/kg2，太陽質(zhì)量M☉≈1.99×103?kg。提示：可使用引力提供的向心力公式，并作近似處理。五、論述題（15分。請結(jié)合所學知識，深入探討下列問題）討論Lambda-CDM模型作為當前宇宙結(jié)構(gòu)形成與演化的標準模型的主要優(yōu)勢、成功之處以及面臨的主要挑戰(zhàn)或需要進一步解釋的問題。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(C)4.(B)5.(C)6.(A)7.(C)8.(B)9.(B)10.(C)二、填空題1.w或w_Λ2.大爆炸/熾熱致密/高溫高密3.暗物質(zhì)4.2.75.暗能量/空間曲率/拉格朗日不變量/修正項6.17.大尺度結(jié)構(gòu)/宇宙結(jié)構(gòu)8.速率/響應(yīng)/值9.暗物質(zhì)/冷暗物質(zhì)/重子物質(zhì)10.彎曲/路徑/折射三、簡答題1.暴脹理論提出早期宇宙經(jīng)歷了一個極快速、指數(shù)性的指數(shù)膨脹階段。其主要作用是解決早期宇宙的“視界問題”和“平坦性問題”。它將原始密度起伏放大到觀測到的水平，并使宇宙的空間曲率變得非常接近于零，為后續(xù)結(jié)構(gòu)形成奠定了基礎(chǔ)。2.視界問題是指宇宙早期不同區(qū)域因空間有限（光速有限）而無法相互溝通，導致它們今天的物理性質(zhì)（如溫度）應(yīng)存在差異，但觀測到的宇宙微波背景輻射卻高度均勻。暴脹理論通過其極端快速的膨脹，將原本無法相互“看見”的區(qū)域拉伸到遠遠超出各自視界的范圍，使得它們有足夠時間通過熱力學過程達到熱平衡，從而解決了視界問題。3.暗物質(zhì)和暗能量的主要區(qū)別在于：①來源與性質(zhì)：暗物質(zhì)是假設(shè)存在的、不發(fā)光、不與電磁波相互作用（或作用極弱）的粒子，主要通過引力效應(yīng)被探測到；暗能量則是一種能量密度隨宇宙膨脹而增大的神秘力量，通常假定為一種具有負壓強的標量場或宇宙學常數(shù)。②對宇宙的影響：暗物質(zhì)主要在宇宙早期結(jié)構(gòu)形成中起作用，并在星系和星系團中提供額外的引力束縛；暗能量則主導了當前宇宙的加速膨脹。③能量密度：暗能量的能量密度通常被認為比暗物質(zhì)密度大得多。四、計算題1.解：根據(jù)T=1/H?，將H?的單位轉(zhuǎn)換為s?1H?=70km/s/Mpc=70×103m/s/(3.09×1022m)≈2.27×10?1?s?1T=1/(2.27×10?1?s?1)≈4.41×101?s將秒轉(zhuǎn)換為年：T≈(4.41×101?s)/(3.15×10?s/yr)≈1.40×101?yr結(jié)果：宇宙年齡約為1.4×101?年。2.解：假設(shè)星系團近似為質(zhì)量均勻分布的球體，其半徑R與距離d成正比（R≈d）。星系繞團心做圓周運動，由引力提供向心力：GM(_total)/R2=Mv_avg2/RM(_total)=mv_avg2R/G代入R≈d，得M(_total)=mv_avg2d/GM(_total)=(1.99×103?kg)×(1000×103m/s)2×(500×3.09×1022m)/(6.67×10?11N·m2/kg2)M(_total)≈(1.99×103?)×(10?)×(1.545×102?)/(6.67×10?11)M(_total)≈4.72×10??kg/6.67×10?11M(_total)≈7.06×10??kg轉(zhuǎn)換為太陽質(zhì)量單位：M(_total)/M☉≈(7.06×10??kg)/(1.99×103?kg)M(_total)/M☉≈3.56×101?M☉結(jié)果：估算的星系團總質(zhì)量約為3.6×101?太陽質(zhì)量。五、論述題Lambda-CDM模型是當前描述宇宙結(jié)構(gòu)形成與演化的主流理論，其核心思想是：宇宙始于大爆炸，早期經(jīng)歷暴脹，其后在引力作用下，由微小的初始密度擾動逐漸形成大尺度結(jié)構(gòu)，宇宙中存在大量的暗物質(zhì)和暗能量。該模型的主要優(yōu)勢在于其簡潔性（只有很少幾個自由參數(shù)）和強大的解釋力。*成功之處：它能很好地解釋宇宙的平坦性、視界問題、大尺度結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分布（如功率譜）、星系團和星系的速度彌散、宇宙加速膨脹等關(guān)鍵觀測事實。Lambda-CDM模型框架下的數(shù)值模擬能夠重現(xiàn)星系形成和星系團演化的大致過程，與觀測結(jié)果有較好的一致性。*面臨的挑戰(zhàn)：盡管成功，Lambda-CDM模型仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)仍然未知，它們是構(gòu)成宇宙絕大部分質(zhì)量和能量的神秘組分，對其性質(zhì)和相互作用機制缺乏深入理解。其次，模型的預(yù)言（如暗物質(zhì)暈的形態(tài)、宇宙的年齡）與一些高精度觀測（如暗物質(zhì)暈