2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙中暗物質(zhì)濃度分布規(guī)律考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪項(xiàng)不是暗物質(zhì)的主要證據(jù)？A.星系旋轉(zhuǎn)曲線B.宇宙微波背景輻射各向異性C.弱引力透鏡效應(yīng)D.宇宙膨脹加速2.冷暗物質(zhì)模型（WDM）中，“冷”指的是暗物質(zhì)粒子：A.質(zhì)量很大B.溫度很高C.運(yùn)動(dòng)速度很快D.運(yùn)動(dòng)速度很慢3.暗物質(zhì)暈通常指的是：A.星系核中的高密度暗物質(zhì)B.星系周圍的低密度暗物質(zhì)C.星系盤內(nèi)的彌漫暗物質(zhì)D.星系團(tuán)中心的高密度暗物質(zhì)4.以下哪種方法可以用來測量暗物質(zhì)暈的濃度？A.直接觀測暗物質(zhì)發(fā)射的電磁波B.通過引力透鏡效應(yīng)觀測背景光源的畸變C.通過光譜分析測定暗物質(zhì)粒子的化學(xué)成分D.通過測量星系旋轉(zhuǎn)曲線推斷暗物質(zhì)分布5.宇宙學(xué)參數(shù)Omega_m（物質(zhì)密度參數(shù)）的大小主要影響：A.宇宙的年齡B.暗物質(zhì)濃度分布C.宇宙膨脹速率D.宇宙微波背景輻射的溫度6.N體模擬在研究暗物質(zhì)分布時(shí)主要模擬的是：A.恒星的形成和演化B.星系的形成和演化C.暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)和相互作用D.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成7.暗物質(zhì)濃度分布通常用哪個(gè)物理量來描述？A.密度B.溫度C.速度D.自旋8.弱引力透鏡效應(yīng)主要利用了暗物質(zhì)的什么性質(zhì)？A.不發(fā)光B.不與電磁波相互作用C.引力效應(yīng)D.化學(xué)性質(zhì)9.暗物質(zhì)暈與星系形成的關(guān)系是：A.暗物質(zhì)暈阻礙了星系的形成B.暗物質(zhì)暈是星系形成的種子C.暗物質(zhì)暈與星系形成無關(guān)D.暗物質(zhì)暈被星系形成過程消耗掉10.下列哪個(gè)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是最有可能直接探測到暗物質(zhì)粒子？A.大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）B.空間望遠(yuǎn)鏡C.脈沖星計(jì)時(shí)陣列D.暗物質(zhì)間接探測實(shí)驗(yàn)二、填空題（每空2分，共20分）1.暗物質(zhì)是指那些__________、__________、主要通過__________與普通物質(zhì)相互作用的一種物質(zhì)形態(tài)。2.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中，星系和星系團(tuán)主要形成于__________不連續(xù)的區(qū)域，這些區(qū)域被認(rèn)為是暗物質(zhì)暈聚集的地方。3.弱引力透鏡效應(yīng)是指暗物質(zhì)暈的引力場會(huì)使背景光源的光線發(fā)生__________，通過測量這種畸變可以推斷暗物質(zhì)暈的分布。4.暗物質(zhì)濃度通常是指暗物質(zhì)密度與臨界密度的比值，用符號__________表示。5.冷暗物質(zhì)模型（WDM）認(rèn)為暗物質(zhì)粒子是__________的，這與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成觀測結(jié)果較為符合。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述引力透鏡效應(yīng)的原理及其在暗物質(zhì)研究中的作用。2.簡述N體模擬的基本原理及其在研究暗物質(zhì)分布中的應(yīng)用。3.簡述暗物質(zhì)濃度分布對星系形成和演化的影響。4.簡述目前暗物質(zhì)直接探測和間接探測的主要方法及其面臨的理論和實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個(gè)暗物質(zhì)暈的質(zhì)量為M=10^12M_sun，半徑為R=100kpc，其中M_sun為太陽質(zhì)量，kpc為千帕斯卡。計(jì)算該暗物質(zhì)暈在R=50kpc處的密度（假設(shè)暗物質(zhì)暈為均勻球體分布）。2.假設(shè)觀測到一個(gè)弱引力透鏡事件，背景光源的放大因子為A=1.1，光源與暗物質(zhì)暈的距離為d_L=1Gpc，暗物質(zhì)暈與觀測者的距離為d_d=0.5Gpc。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，估算暗物質(zhì)暈的質(zhì)量（假設(shè)暗物質(zhì)暈為點(diǎn)質(zhì)量）。五、論述題（10分）論述暗物質(zhì)濃度分布規(guī)律的研究現(xiàn)狀、主要挑戰(zhàn)以及未來的研究方向。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.B5.B6.C7.A8.C9.B10.D二、填空題1.不發(fā)光，不與電磁波相互作用，引力2.暗物質(zhì)3.畸變4.c5.慢三、簡答題1.引力透鏡效應(yīng)是指引力場會(huì)使光線發(fā)生偏折，暗物質(zhì)雖然不發(fā)光，但具有質(zhì)量，因此其引力場也會(huì)對光線產(chǎn)生偏折，通過觀測背景光源的畸變，可以間接推斷暗物質(zhì)的存在和分布。在暗物質(zhì)研究中，引力透鏡效應(yīng)是一種重要的探測手段，可以幫助我們確定暗物質(zhì)的分布和性質(zhì)。2.N體模擬是一種計(jì)算機(jī)模擬方法，它通過模擬大量暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，來研究暗物質(zhì)在宇宙中的分布和演化。在模擬中，每個(gè)粒子代表一個(gè)暗物質(zhì)粒子，它們之間通過引力相互作用，通過模擬這些粒子的運(yùn)動(dòng)，可以得到暗物質(zhì)暈、星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程，從而研究暗物質(zhì)的分布規(guī)律。3.暗物質(zhì)濃度分布決定了星系中物質(zhì)的質(zhì)量分布，進(jìn)而影響星系的形成和演化。高密度的暗物質(zhì)暈可以吸引更多的普通物質(zhì)，促進(jìn)星系的形成和增長。同時(shí)，暗物質(zhì)暈的分布也影響星系的旋轉(zhuǎn)曲線、星系團(tuán)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等，因此研究暗物質(zhì)濃度分布對于理解星系的形成和演化具有重要意義。4.暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)試圖直接探測暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)相互作用的信號，例如，WIMPs與原子核碰撞產(chǎn)生的能量沉積信號。暗物質(zhì)間接探測實(shí)驗(yàn)則是通過觀測暗物質(zhì)衰變或湮滅產(chǎn)生的次級粒子，例如，伽馬射線、中微子等。目前，暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)和間接探測實(shí)驗(yàn)都面臨理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不吻合的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法。四、計(jì)算題1.暗物質(zhì)暈的密度rho=M/(4/3*pi*R^3)=10^12M_sun/(4/3*pi*(100kpc)^3)=10^12M_sun/(4/3*pi*(100*3.086*10^16m)^3)=10^12M_sun/(4/3*pi*(3.086*10^18m)^3)=10^12M_sun/(4/3*pi*(2.939*10^55m^3))=10^12M_sun/(1.239*10^56m^3)=8.1*10^-45M_sun/m^32.根據(jù)弱引力透鏡近似，放大因子A可以表示為A=(1+deltaphi)≈1+(4*G*M)/(c^2*d_d)，其中deltaphi是引力勢，G是萬有引力常數(shù)，M是暗物質(zhì)暈的質(zhì)量，c是光速，d_d是暗物質(zhì)暈與觀測者的距離。解出M，M=(c^2*d_d*(A-1))/(4*G)=(3*10^8m/s)^2*(0.5*10^9pc*3.086*10^16m/pc)*(1.1-1)/(4*6.674*10^-11N*m^2/kg^2)=(9*10^16m^2/s^2)*(1.543*10^26m)*(0.1)/(2.6696*10^-10N*m^2/kg^2)=5.28*10^41kg