2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——暗物質(zhì)在宇宙中的分布與性質(zhì)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.以下哪一項不是目前廣泛接受的暗物質(zhì)的基本性質(zhì)？A.非重子粒子B.不與電磁力相互作用C.主要通過引力與普通物質(zhì)相互作用D.是構(gòu)成宇宙主要質(zhì)能成分的光子2.觀測到星系外圍恒星的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)超僅由星系可見物質(zhì)產(chǎn)生的引力所能束縛的速度，這一現(xiàn)象被稱為：A.宇宙膨脹加速B.引力透鏡效應(yīng)C.暗物質(zhì)暈D.星系旋轉(zhuǎn)曲線異常3.在星系團(tuán)尺度上，星系的速度分布遠(yuǎn)超可見物質(zhì)所能提供的引力束縛，主要歸因于：A.星系間的碰撞與合并B.星系團(tuán)內(nèi)恒星的初速度分布C.星系團(tuán)內(nèi)部存在大量暗物質(zhì)D.宇宙微波背景輻射的引力效應(yīng)4.下列哪項觀測是引力透鏡效應(yīng)的有力證據(jù)？A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.觀測到遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光線被大質(zhì)量天體彎曲C.星系旋轉(zhuǎn)曲線D.暗物質(zhì)直接探測實驗中的事件5.間接探測暗物質(zhì)的主要目的是尋找暗物質(zhì)粒子：A.吸收可見光B.散射普通物質(zhì)C.湮滅或衰變產(chǎn)生的次級粒子D.與引力波相互作用6.在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，暗物質(zhì)被歸類為：A.重子物質(zhì)B.冷暗物質(zhì)(CDM)C.熱暗物質(zhì)(HDM)D.暗能量7.費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡在暗物質(zhì)探測方面主要關(guān)注尋找哪種次級粒子信號？A.高能中微子B.伽馬射線C.正電子D.反質(zhì)子8.假設(shè)宇宙中只存在暗物質(zhì)和普通物質(zhì)，且暗物質(zhì)遵循Navarro-Frenk-White(NFW)模型分布，那么在星系團(tuán)中心處，暗物質(zhì)密度與普通物質(zhì)密度的比值大約是多少？A.1B.5C.10D.209.以下哪種理論模型將軸子粒子作為冷暗物質(zhì)的主要候選者？A.大統(tǒng)一理論(GUT)B.標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展C.簡單對偶模型(SUSY)D.惰性中微子模型10.暗物質(zhì)在宇宙結(jié)構(gòu)形成中扮演的關(guān)鍵角色是：A.提供大部分的光B.通過引力充當(dāng)“種子”，為星系和星系團(tuán)的形成提供骨架C.主要通過電磁力束縛星系內(nèi)部物質(zhì)D.產(chǎn)生宇宙微波背景輻射二、填空題1.暗物質(zhì)不與電磁力相互作用，這意味著它______。2.通過分析星系團(tuán)內(nèi)星系的速度分布，可以估算出星系團(tuán)的總質(zhì)量，其中暗物質(zhì)的質(zhì)量通常占總質(zhì)量的______以上。3.宇宙微波背景輻射的S-Z效應(yīng)是指暗物質(zhì)暈對______的散射，導(dǎo)致后者的能量譜發(fā)生變化。4.直接探測暗物質(zhì)實驗通常建在______，以減少來自地球大氣和宇宙線的干擾。5.目前，宇宙學(xué)觀測表明，暗物質(zhì)、普通物質(zhì)和暗能量分別占宇宙總質(zhì)能的約______、______和______。三、名詞解釋1.暗流(DarkFlow)2.弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)3.宇宙加速膨脹(CosmicAcceleration)4.自旋波(GravitationalWave)四、簡答題1.簡述直接探測暗物質(zhì)實驗的基本原理。2.簡要解釋引力透鏡效應(yīng)，并說明它如何為暗物質(zhì)的分布提供信息。3.簡述暗物質(zhì)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程中的作用。五、計算題假設(shè)一個星系的可見物質(zhì)總質(zhì)量為M_v，其旋轉(zhuǎn)曲線（即圓軌道速度v與半徑r的關(guān)系）近似為v(r)=v_0*sqrt(r/r_0)，其中v_0和r_0為常數(shù)。觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)半徑r=R時，星系圓軌道速度v(R)=200km/s。如果引力僅由可見物質(zhì)提供，且萬有引力常數(shù)G=6.67430x10^-11m^3kg^-1s^-2，求：（1）此時星系可見物質(zhì)提供的引力加速度a_g；(2)若此時測得的實際引力加速度a>a_g，且假設(shè)總引力加速度a主要由可見物質(zhì)和暗物質(zhì)共同提供，請解釋這可能意味著什么（無需計算暗物質(zhì)貢獻(xiàn)的具體數(shù)值）。六、論述題當(dāng)前暗物質(zhì)研究面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？請從實驗探測、理論模型以及與標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)系等方面進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.B5.C6.B7.B8.C9.A10.B二、填空題1.無法被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測到2.90%3.CMB光子4.地下5.27%,5%,68%三、名詞解釋1.暗流：指星系團(tuán)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中，以一種與其內(nèi)部星系運(yùn)動方向相反的大尺度引力流運(yùn)動的現(xiàn)象，其驅(qū)動原因尚不清楚，可能與超大質(zhì)量黑洞活動或暗物質(zhì)分布異常有關(guān)。2.WIMP：WeaklyInteractingMassiveParticle，即弱相互作用大質(zhì)量粒子，是冷暗物質(zhì)最常用的理論候選粒子，假設(shè)其只通過引力及弱核力與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相互作用。3.宇宙加速膨脹：指觀測到的宇宙膨脹速度在不斷增加的現(xiàn)象，這表明宇宙中存在一種具有負(fù)壓強(qiáng)的神秘物質(zhì)，稱為暗能量。4.自旋波：在自旋晶格中，自旋矩的局部擾動會以波的形式傳播，稱為自旋波；在某些理論中，自旋波也可能被假想為一種暗物質(zhì)形式。四、簡答題1.直接探測暗物質(zhì)實驗的基本原理是利用暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)發(fā)生稀有相互作用的假設(shè)。實驗裝置通常包含極其靈敏的探測器（如超靈敏的離子室、雪崩光電二極管APD等），放置在地下以屏蔽宇宙線和大氣粒子。當(dāng)暗物質(zhì)粒子（如WIMP）穿過探測器并與探測器中的原子核（如鉛核、硅核）發(fā)生彈性散射（如核反沖）時，會產(chǎn)生微弱的能量沉積（離子對或光子）。探測器通過測量這種微弱的信號來識別暗物質(zhì)粒子的存在及其性質(zhì)。2.引力透鏡效應(yīng)是指大質(zhì)量物體（如星系團(tuán)）的引力場會使其后方遙遠(yuǎn)光源發(fā)出的光線發(fā)生彎曲、扭曲、放大或分割的現(xiàn)象，如同透鏡一樣。其基本原理是愛因斯坦廣義相對論predictions的引力屈光。當(dāng)觀測到某個天體被一個潛在的后方星系團(tuán)引力透鏡時，如果透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度（如光亮度變化、圖像扭曲程度）顯著超過僅由該天體自身及已知普通物質(zhì)所能產(chǎn)生的引力效應(yīng)，則表明透鏡天體周圍存在大量未被觀測到的暗物質(zhì)，其引力貢獻(xiàn)了額外的透鏡效應(yīng)。通過精確測量透鏡效應(yīng)，可以推斷暗物質(zhì)的質(zhì)量分布。3.暗物質(zhì)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程中扮演了“引力骨架”的關(guān)鍵角色。在宇宙早期極早期（暴脹結(jié)束后），物質(zhì)密度只有微小的隨機(jī)起伏。暗物質(zhì)由于是冷暗物質(zhì)（CDM），其速度較慢，更容易在引力作用下聚集。這些暗物質(zhì)密度起伏首先通過引力坍縮形成微小的引力勢阱。隨后，普通物質(zhì)（重子物質(zhì)）在暗物質(zhì)形成的引力勢阱中繼續(xù)坍縮，并在暗物質(zhì)勢阱的引力框架下匯聚、合并，逐漸形成了星系、星系團(tuán)等我們今天觀測到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。沒有暗物質(zhì)提供的早期引力引力框架，普通物質(zhì)很難有效地聚集形成我們觀測到的豐富結(jié)構(gòu)，宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成速率也遠(yuǎn)低于觀測結(jié)果。五、計算題（1）根據(jù)萬有引力定律，星系中質(zhì)量為m的質(zhì)點在半徑為r處受到的引力為F=G*M(r)*m/r^2，其中M(r)是半徑r內(nèi)包含的總質(zhì)量。根據(jù)向心力公式F=m*v(r)^2/r，有G*M(r)/r^2=v(r)^2/r，即M(r)=v(r)^2*r/G?？梢娢镔|(zhì)提供的總質(zhì)量M_v可以近似為M(r=R)=v(R)^2*R/G。引力加速度a_g=G*M_v/R^2=G*[v(R)^2*R/G]/R^2=v(R)^2/R。將v(R)=200km/s=2x10^5m/s，R=R（單位未知，結(jié)果與R無關(guān)，只與v^2/R有關(guān)），G=6.67430x10^-11m^3kg^-1s^-2代入，得a_g=(2x10^5)^2/R=4x10^10/Rm/s^2。結(jié)果與R的具體數(shù)值無關(guān)，只取決于給定的速度。例如，若R=1kpc=3.086x10^19m，則a_g≈1.29x10^7m/s^2。（2）如果測得實際引力加速度a>a_g，這意味著在半徑R處，僅由可見物質(zhì)產(chǎn)生的引力加速度不足以維持觀測到的圓軌道速度v(R)。根據(jù)F=m*a，更大的加速度a意味著需要更大的向心力，即需要存在額外的引力來源。由于實驗中測量的v(R)是固定的，而a_g是僅由可見物質(zhì)貢獻(xiàn)的加速度下計算出的理論值，因此a>a_g表明在星系半徑R處存在額外的引力場。這個額外的引力場最自然的解釋就是星系暈中存在的暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力貢獻(xiàn)。因此，這個現(xiàn)象強(qiáng)烈暗示了星系暈中存在大量看不見的暗物質(zhì)。六、論述題當(dāng)前暗物質(zhì)研究面臨的主要挑戰(zhàn)是多方面的，涉及實驗探測、理論模型以及與標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)系等。首先，在實驗探測方面，直接探測實驗雖然不斷改進(jìn)探測器靈敏度，但至今未能獲得明確、一致的暗物質(zhì)直接相互作用信號，特別是對于預(yù)言中質(zhì)量WIMP的預(yù)期截面。間接探測實驗（如費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡、冰立方中微子天文臺）雖然發(fā)現(xiàn)了可能的暗物質(zhì)信號（如銀河系中心和高銀緯方向的伽馬射線和反中微子漲落），但這些信號仍存在顯著的背景不確定性，尚未被確認(rèn)為來自暗物質(zhì)湮滅或衰變。此外，暗物質(zhì)的自旋方向、湮滅/衰變產(chǎn)物種類和能量譜等仍是未知數(shù)，這給間接探測的信號識別帶來了極大挑戰(zhàn)。實驗上還難以精確區(qū)分不同暗物質(zhì)候選粒子（如WIMP、軸子、原初黑洞）的信號特征。其次，在理論模型方面，目前尚無被普遍接受的暗物質(zhì)粒子理論。即使以廣泛研究的WIMP為例，其理論預(yù)言的質(zhì)量范圍和相互作用截面與實驗結(jié)果存在巨大差異。各種擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型（如大統(tǒng)一理論、超對稱模型）預(yù)言的暗物質(zhì)候選粒子往往面臨理論上的困難或與其他實驗結(jié)果矛盾。此外，暗物質(zhì)如何通過引力作用在早期宇宙中形成復(fù)雜的暈結(jié)構(gòu)，其微物理性質(zhì)如何決定其動力學(xué)行為，這些理論問題也遠(yuǎn)未解決。對暗物質(zhì)性質(zhì)的約束主要來自宇宙學(xué)觀測，但這些觀測本身也存在系統(tǒng)誤差和不確定性，使得理論模型的選擇和檢驗