2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星際空間的引力透鏡現(xiàn)象考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內）1.根據(jù)廣義相對論，引力透鏡效應的根本原因是（）。A.光的波動性B.星體間的電磁相互作用C.時空彎曲D.星體的高速運動2.當光線經(jīng)過一個質量分布均勻的球體附近時，最接近理想點透鏡行為的情形是（）。A.光線直接穿過球體中心B.光線掠過球體邊緣C.球體密度極高且體積很小D.球體密度極低且體積很大3.引力透鏡導致光源亮度增大的主要機制是（）。A.光源自身能量增加B.光線在傳播中被介質吸收后重新輻射C.光線路徑匯聚，通過的有效截面減小D.望遠鏡收集效率提高4.與強引力透鏡效應相比，弱引力透鏡效應的主要特點是（）。A.常常產(chǎn)生多個分離的像B.圖像顯著扭曲，形成Einstein環(huán)C.光源視亮度只有微小變化，且通常不形成環(huán)狀結構D.只能在特定波長下觀測到5.在討論星際空間引力透鏡時，通常認為其主要作用天體是（）。A.巨大的星系團B.遙遠的類星體C.密集的分子云或年輕星團D.宇宙彌漫的暗物質6.如果一個遙遠的恒星被近距離的分子云引力透鏡放大，天文學家通?？梢岳眠@一現(xiàn)象來（）。A.直接測量分子云的視向速度B.估算分子云的密度和大小C.精確測定該恒星的距離D.探測分子云中是否存在行星7.引力透鏡導致時間延遲現(xiàn)象的根本原因是（）。A.光在不同介質中的折射B.光源自身發(fā)出光子的時間差異C.不同光線經(jīng)過引力場強度不同的區(qū)域所需時間不同D.望遠鏡響應時間的差異8.弱引力透鏡效應在宇宙學研究中具有重要意義，主要是因為它可以用來（）。A.直接測量中子星的質量B.探測宇宙中的暗物質分布C.精確測量恒星的自轉速度D.估算超新星的初始質量9.下列哪項不是引力透鏡現(xiàn)象的觀測證據(jù)？（）A.觀測到多個來自同一遙遠天體的像B.發(fā)現(xiàn)某些星系團的星系在特定方向上排列成弧狀結構C.測量到某些遙遠光變源的光變曲線存在異常的時間延遲D.望遠鏡鏡頭產(chǎn)生了眩光效應10.根據(jù)目前的理解，利用星際空間引力透鏡探測原初黑洞的主要困難在于（）。A.原初黑洞候選體過于遙遠，亮度太低B.星際介質會吸收所有來自黑洞的光線C.引力透鏡效應產(chǎn)生的信號微弱，難以與背景噪聲區(qū)分D.缺乏足夠數(shù)量的已知背景光源進行統(tǒng)計研究二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.廣義相對論認為，物質告訴時空__________，時空彎曲告訴光線__________。2.當光源、透鏡和觀測者近似位于一條直線上時，可能觀測到__________現(xiàn)象。3.弱引力透鏡效應對應于透鏡質量與光源距離的比值非常__________的情況。4.除了放大和扭曲，引力透鏡還可以改變光源的__________。5.在星際空間尺度下，引力透鏡的主要應用之一是幫助探測星團前方隱藏的__________。6.引力透鏡效應的強度與透鏡天體的__________和光源與透鏡、觀測者的相對位置有關。7.觀測者測量到來自同一個遙遠光源的多條路徑的光到達時間不同，這種現(xiàn)象稱為__________。8.形成清晰的Einstein環(huán)需要滿足的理想條件之一是光源、透鏡和觀測者精確位于__________。9.利用引力透鏡效應可以間接測量透鏡天體的__________。10.星際空間引力透鏡研究的特殊性在于其作用天體通常尺度較小，且產(chǎn)生的透鏡效應相對__________。三、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述引力透鏡效應產(chǎn)生的物理過程。2.簡要說明強引力透鏡和弱引力透鏡的主要區(qū)別。3.解釋什么是引力透鏡的時間延遲現(xiàn)象，并簡述其物理意義。4.為什么說引力透鏡現(xiàn)象是檢驗廣義相對論的重要手段？5.簡述利用引力透鏡效應研究星際介質結構的可能思路。四、計算題（共15分）假設一個質量為M的星團位于距離地球D處的星際空間，一個遙遠的星光經(jīng)過該星團附近時，距離星團中心的最短距離為b（引力透鏡參數(shù)）。已知引力常數(shù)G和光速c。請推導出該星光由于引力透鏡效應產(chǎn)生的放大因子（放大倍數(shù)）的近似表達式。（提示：可以忽略星光速度）五、論述題（10分）討論引力透鏡現(xiàn)象對于理解星際介質（如分子云、星團）結構和演化的潛在價值，并指出當前在利用星際空間引力透鏡進行此類研究時面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.B7.C8.B9.D10.C二、填空題1.曲率，彎曲2.多像3.小4.視位置（或角位置）5.年輕星團6.質量7.時間延遲8.共線9.質量或密度分布10.弱三、簡答題1.解析思路：首先說明廣義相對論的核心觀點——質量導致時空彎曲。然后闡述光線在彎曲的時空中沿測地線傳播。最后說明當光線經(jīng)過大質量天體附近時，其路徑被彎曲，從而到達觀測者的視線，即產(chǎn)生了引力透鏡效應。2.解析思路：區(qū)分強透鏡和弱透鏡的主要依據(jù)是透鏡質量、光源與透鏡的距離以及觀測角度。強透鏡通常質量大，距離近，角度好，易產(chǎn)生多個分離像、Einstein環(huán)或弧狀結構。弱透鏡通常質量小，距離遠，角度差，只引起光源視亮度微小變化和視位置輕微偏移。3.解析思路：解釋時間延遲現(xiàn)象的物理原因：光線經(jīng)過引力場強度不同的區(qū)域時，其光程（或傳播路徑長度）不同，導致光線傳播所需時間不同。光線經(jīng)過引力場更強的區(qū)域時，光程更長，時間延遲更大。其物理意義在于它是廣義相對論預言的引力效應之一，可用于檢驗相對論和測量引力場。4.解析思路：說明引力透鏡效應是廣義相對論關于光在引力場中彎曲的預言。通過觀測到的引力透鏡現(xiàn)象（如光彎曲程度、放大倍數(shù)、時間延遲等）與廣義相對論理論預測進行比對，可以檢驗理論的有效性。如果觀測結果與理論高度符合，則支持了廣義相對論。5.解析思路：闡述利用引力透鏡研究星際介質的基本思路：尋找已知位置的背景光源（如遙遠恒星或星系）；觀測這些背景光源在前景星際介質（如分子云）引力作用下的扭曲、放大或視位置變化；通過分析這些擾動模式，反推前景介質的質量分布和結構信息。四、計算題推導思路：利用引力透鏡的近似公式。對于點透鏡，放大因子μ的近似表達式為μ≈(b2+DLS)/(4bDLS)，其中b是透鏡參數(shù)，DLS是光源到透鏡的距離，DS是透鏡到觀測者的距離。當忽略DS和DLS的差異時（即認為光源、透鏡、觀測者在一條直線上且DLS>>b,D>>b），該公式可簡化。更直接的近似，基于光程差的概念，對于近點光源，放大因子μ≈θ/(2α)，其中θ是光源的角位置偏移，α是透鏡的角半徑（α≈sqrt(GM/(c2b))*(DLS/(D*D))）。將α代入得到μ≈sqrt(GM*D/(c2*b*DLS))。由于題目給定了b，M，G，c，D，DLS，最終可以整理出放大因子與這些參數(shù)的關系式。五、論述題解析思路：首先論述引力透鏡的潛在價值：*探測隱藏天體：星際介質（如致密分子云）對可見光吸收強，使得后方的年輕星團等天體難以直接觀測。引力透鏡的放大效應可以顯著提高前景介質后方的背景光源亮度，從而探測到這些隱藏的星團或星formationregions。*測量星際介質密度：弱引力透鏡效應（如源位置偏移、放大率變化）與前景介質（如分子云）的密度分布密切相關。通過統(tǒng)計分析大量背景光源的弱透鏡效應，可以反演出前景介質的三維密度結構，提供傳統(tǒng)觀測手段難以獲得的信息。*研究介質動力學：引力透鏡效應的大小和模式可能受到前景介質自身運動（如流動、擾動）的影響，因此研究透鏡效應的變化可能有助于理解星際介質的動力學狀態(tài)。然后指出主要挑戰(zhàn)：*信號微弱：星際空間引力透鏡通常是弱透鏡，信號（亮度變化、位置偏移）非常微小，容易受到觀測系統(tǒng)噪聲、背景光污染和系統(tǒng)誤差的影響，需要高精度的測量技術和數(shù)據(jù)處理方法。*背景光源缺乏：需要大量已知位置且足夠遙遠的背景光源進行統(tǒng)計研究。在星際空間尺度內，滿足條件的背景光源（如