2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙中的暗物質(zhì)分布考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.以下哪項不是目前廣泛接受的暗物質(zhì)的主要探測方法？A.直接探測（直接尋找暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號）B.間接探測（尋找暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變產(chǎn)生的次級粒子，如伽馬射線、中微子）C.通過觀測引力透鏡效應估算暗物質(zhì)分布D.通過分析星系光譜直接測量暗物質(zhì)粒子2.解釋星系外圍恒星旋轉(zhuǎn)速度不隨半徑增大而減小的關(guān)鍵證據(jù)是：A.星系核的活動性B.星系內(nèi)恒星的隨機運動C.星系盤面物質(zhì)的分布D.星系暈中存在大量看不見的質(zhì)量3.在星系團尺度上，暗物質(zhì)的主要分布特征是：A.集中在星系團中心，形成致密核心B.均勻彌散在整個星系團體積內(nèi)C.主要分布在星系團內(nèi)的單個星系內(nèi)部，星系際空間相對稀疏D.以絲狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)連接各個星系，形成星系團骨架4.宇宙微波背景輻射（CMB）的哪些觀測特征為暗物質(zhì)的存在提供了重要證據(jù)？A.光譜黑體輻射曲線B.角功率譜的峰值位置和數(shù)量C.CMB地圖中的冷斑和熱斑D.CMB輻射的自吸收現(xiàn)象5.大尺度結(jié)構(gòu)的形成理論認為，暗物質(zhì)在其中的作用主要是：A.提供大部分的光學可見物質(zhì)B.阻礙星系形成和演化C.作為引力“骨架”，為星系和星系團的形成提供引力勢阱D.主要影響星系內(nèi)部的動力學演化，對大尺度結(jié)構(gòu)無關(guān)緊要6.以下哪個現(xiàn)象或觀測結(jié)果最能支持“暗物質(zhì)暈”模型？A.宇宙膨脹速率隨時間的變化B.星系團中心區(qū)域的引力場強度C.星系旋轉(zhuǎn)曲線超出可見物質(zhì)分布所能解釋的范圍D.地球附近空間背景輻射的強度7.暗物質(zhì)粒子間接探測的主要目標是尋找：A.暗物質(zhì)粒子自身的散射信號B.暗物質(zhì)粒子與探測器材料發(fā)生核反應產(chǎn)生的反沖粒子信號C.暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變產(chǎn)生的伽馬射線光子或中微子束流D.暗物質(zhì)粒子引起的局部磁場變化8.如果沒有暗物質(zhì)的存在，根據(jù)現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)估算，星系團的總體質(zhì)量（包括暗物質(zhì)）將比觀測到的引力效應所需的質(zhì)量：A.大得多B.小得多C.正好相等D.無法確定9.暗物質(zhì)暈的密度分布通常呈現(xiàn)什么特征？A.在中心區(qū)域密度最高，向外部均勻下降B.在中心區(qū)域密度最低，向外部逐漸升高C.在中心區(qū)域密度較低，然后在一個特定半徑處達到峰值，向外再緩慢下降D.呈現(xiàn)高度各向異性的分布，不同方向密度差異很大10.引力透鏡效應對理解暗物質(zhì)分布的直接貢獻在于：A.使遙遠天體變形或產(chǎn)生多重像，從而可以估算背后暗物質(zhì)的質(zhì)量B.改變星光傳播的路徑，使得我們能夠觀測到原本不可見的區(qū)域C.導致星光頻移，幫助我們測量宇宙學距離D.吸收特定波段的星光，揭示暗物質(zhì)的化學成分二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.暗物質(zhì)是指那些不與電磁力發(fā)生相互作用，因此難以被直接觀測到，但可以通過其產(chǎn)生的________效應來推斷其存在和分布的物質(zhì)。2.通過分析星系團中星系的速度彌散，天文學家可以估算出星系團的總質(zhì)量，通常發(fā)現(xiàn)總質(zhì)量遠大于可見物質(zhì)（恒星、氣體等）的質(zhì)量總和，其中差額被認為是________質(zhì)量。3.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程，通常認為是在暗物質(zhì)提供的引力場中，普通物質(zhì)通過引力不穩(wěn)定性逐漸聚集而形成的。4.暗物質(zhì)直接探測實驗通常建在地下或地下實驗室，目的是為了屏蔽來自地球表面的各種________輻射和粒子背景噪聲。5.宇宙微波背景輻射的________偏振模式包含關(guān)于早期暗物質(zhì)暈分布的寶貴信息。6.暗物質(zhì)暈通常被認為是圍繞星系和星系團形成的、近似于________分布的巨大質(zhì)量區(qū)域。7.除了旋轉(zhuǎn)曲線和星系團質(zhì)量估算，________透鏡也是探測和估算暗物質(zhì)分布的重要天文方法之一。8.間接探測暗物質(zhì)的主要目標是尋找暗物質(zhì)粒子________或________產(chǎn)生的信號，如伽馬射線、X射線或中微子。9.暗物質(zhì)的存在對于解釋星系形成和演化的觀測結(jié)果至關(guān)重要，例如，它為星系提供了形成所需的大部分________。10.當前，關(guān)于暗物質(zhì)的基本粒子性質(zhì)仍然是一個巨大的謎團，不同的理論模型提出了多種可能的暗物質(zhì)粒子，例如________粒子（WIMPs）和軸子（Axions）等。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡潔明了地回答下列問題）1.簡述直接探測暗物質(zhì)實驗的基本原理。2.解釋什么是引力透鏡效應，以及它如何幫助我們探測暗物質(zhì)。3.簡述星系旋轉(zhuǎn)曲線異常現(xiàn)象，并說明它如何為暗物質(zhì)暈的存在提供了證據(jù)。四、計算題（6分。請寫出必要的公式、步驟和結(jié)果）假設一個星系的質(zhì)量分布可以近似為：在星系半徑R內(nèi)，總質(zhì)量M(R)與R的平方成正比，即M(R)=k*R2，其中k是一個常數(shù)。觀測發(fā)現(xiàn)該星系在R=20kpc處的旋轉(zhuǎn)速度V=200km/s。請根據(jù)經(jīng)典力學（開普勒第三定律的推廣形式），估算該星系在R=20kpc處暗物質(zhì)暈的總質(zhì)量M_暗(R=20)。（引力常數(shù)G=4.3x10?12km3Msun?1(s2)）五、論述題（9分。請結(jié)合所學知識，條理清晰地回答下列問題）結(jié)合大尺度結(jié)構(gòu)形成理論，論述暗物質(zhì)在宇宙結(jié)構(gòu)演化中扮演的關(guān)鍵角色，并說明天文學家是如何利用不同的觀測手段來推斷暗物質(zhì)在宇宙中的分布格局的。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.B5.C6.C7.C8.B9.C10.A二、填空題1.引力2.暗物質(zhì)3.引力不穩(wěn)定性4.宇宙射線5.繞曲6.球?qū)ΨQ（或近似球?qū)ΨQ）7.彎曲8.湮滅衰變9.動能10.弱相互作用大質(zhì)量粒子三、簡答題1.直接探測實驗通過放置對特定粒子（如WIMPs）碰撞敏感的探測器（如液氦探測器、半導體探測器）在地下深處的實驗室中，試圖直接記錄暗物質(zhì)粒子與探測器內(nèi)普通物質(zhì)（如原子核）發(fā)生碰撞的事件。根據(jù)碰撞產(chǎn)生的能量和粒子（如反沖的電子或核）的特征信號，來判斷暗物質(zhì)粒子的存在及其部分性質(zhì)。2.引力透鏡效應是指大質(zhì)量天體（如星系團）在其引力場中彎曲來自更遙遠背景光源的光線路徑的現(xiàn)象，如同透鏡一樣。如果背景光源、大質(zhì)量天體和觀測者大致排成一線，背景光源的光線會被彎曲，導致觀測者看到多個影像、光源形狀扭曲或亮度增強。暗物質(zhì)雖然不發(fā)光，但具有引力效應，會對其周圍時空產(chǎn)生引力場，同樣能引起引力透鏡效應。通過分析觀測到的引力透鏡現(xiàn)象（如光源變形、多重成像）的強度，可以利用廣義相對論引力理論反推出產(chǎn)生該效應所需的總質(zhì)量分布，其中超出可見物質(zhì)部分通常被認為是暗物質(zhì)。3.星系旋轉(zhuǎn)曲線描述了星系內(nèi)不同半徑處恒星的旋轉(zhuǎn)速度V與該半徑R之間的關(guān)系。觀測發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系的旋轉(zhuǎn)速度在遠離中心的核心區(qū)域后，并沒有像根據(jù)可見物質(zhì)質(zhì)量分布按經(jīng)典力學預測的那樣迅速下降，而是維持在一個相對平坦的水平，甚至在小半徑處略有上升。這種“異?！钡钠教剐D(zhuǎn)曲線表明，在星系外圍，存在大量看不見的物質(zhì)，其提供的引力能夠維持恒星的切向速度，使得星系整體保持穩(wěn)定。這種看不見的物質(zhì)暈就是暗物質(zhì)暈的典型證據(jù)。四、計算題解答：根據(jù)引力提供向心力，有：v2/R=GM(R)/(R2)=>M(R)=v2R/G將M(R)=kR2代入上式：kR2=v2R/G=>k=v2/G所以總質(zhì)量M(R)=(v2/G)*R將R=20kpc=20x3.086x101?m和v=200km/s=2x10?m/s，G=4.3x10?12km3Msun?1(s2)代入：M_暗(R=20)=((2x10?)2/(4.3x10?12))*(20x3.086x101?)M_暗(R=20)=(4x101?/4.3x10?12)*(6.172x101?)M_暗(R=20)=(9.30x1011)*(6.172x101?)M_暗(R=20)≈5.73x1031km3Msun?1將質(zhì)量單位轉(zhuǎn)換為太陽質(zhì)量：M_暗(R=20)≈5.73x1031/(1.989x103?)MsunM_暗(R=20)≈288M☉（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）五、論述題暗物質(zhì)在宇宙結(jié)構(gòu)演化中扮演著至關(guān)重要的“引力骨架”角色。根據(jù)大尺度結(jié)構(gòu)形成理論，宇宙早期經(jīng)歷了暴脹，導致時空出現(xiàn)微小的密度擾動。在引力作用下，這些密度擾動逐漸增長。暗物質(zhì)因為不與電磁力相互作用，只受引力影響，其自由衰變或湮滅時間遠長于普通物質(zhì)，因此能夠首先在引力作用下凝聚起來，形成巨大的暗物質(zhì)暈。這些巨大的暗物質(zhì)暈如同引力勢阱，吸引了周圍的普通物質(zhì)（氣體和塵埃），在暗物質(zhì)暈的引力束縛下，普通物質(zhì)進一步聚集，最終形成了我們今天觀測到的星系、星系團和更大尺度的宇宙網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。沒有暗物質(zhì)提供的初始引力種子和主要的引力束縛，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成速度和形態(tài)將完全不同。天文學家通過多種觀測手段來推斷暗物質(zhì)在宇宙中的分布格局。利用星系旋轉(zhuǎn)曲線，通過測量星系不同半徑處的恒星或氣體旋轉(zhuǎn)速度，并與僅由可見物質(zhì)計算出的引力效應比較，發(fā)現(xiàn)存在大量額外的引力，這表明星系周圍存在暗物質(zhì)暈。通過測量星系團中星系的速度彌散（即星系圍繞團心的運動速度的分散程度），利用類似開普勒第三定律的廣義相對論關(guān)系，可以估算出星系團的總質(zhì)量。通常發(fā)現(xiàn)總質(zhì)量遠大于可見物質(zhì)的總和，差值被認為是暗物質(zhì)的質(zhì)量。引力透鏡效應是另一種關(guān)鍵方法，通過觀測遙遠背景光源在前景大質(zhì)量天體（包括星系、星