2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙的起源與宇宙背景輻射考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.支持宇宙大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)之一是（）。A.宇宙正在膨脹B.宇宙微波背景輻射C.恒星的存在D.河外星系的紅移現(xiàn)象E.以上都是2.根據(jù)哈勃定律，星系的紅移量與它的（）成正比。A.視星等B.亮度C.距離D.體積E.自轉(zhuǎn)速度3.宇宙微波背景輻射被廣泛認(rèn)為是宇宙早期（）的殘余輻射。A.恒星形成階段B.大爆炸奇點(diǎn)C.核合成時(shí)期D.光子退耦時(shí)刻E.暗物質(zhì)形成時(shí)期4.下列哪一項(xiàng)不是宇宙的標(biāo)準(zhǔn)成分？A.哈勃常數(shù)B.普朗克常數(shù)C.物質(zhì)（重子物質(zhì)+非重子物質(zhì)）D.暗物質(zhì)E.暗能量5.在宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）中，暗能量被認(rèn)為主要貢獻(xiàn)了宇宙總能量密度的（）。A.大約5%B.大約27%C.大約68%D.大約45%E.大約99%6.宇宙的視界指的是（）。A.宇宙膨脹的極限速度B.光線在有限時(shí)間內(nèi)能夠到達(dá)的宇宙最大距離C.宇宙中可見星系的邊界D.宇宙總質(zhì)量所決定的邊界E.物理定律失效的邊界7.根據(jù)大爆炸核合成理論，宇宙早期最重要的核反應(yīng)時(shí)期是（）。A.宇宙最初幾分鐘B.宇宙最初幾千年C.宇宙最初幾百萬年D.宇宙最初幾億年E.宇宙現(xiàn)在8.宇宙微波背景輻射的溫度約為2.7開爾文，這表明宇宙目前的平均溫度（）。A.非常高B.非常低C.恰好適合生命存在D.已經(jīng)過高，無法進(jìn)行核反應(yīng)E.是絕對(duì)零度9.如果宇宙的總能量密度剛好等于臨界密度，那么宇宙的空間幾何將是（）。A.開宇宙B.閉宇宙C.扁平宇宙D.負(fù)曲率宇宙E.零曲率宇宙10.暗物質(zhì)的主要證據(jù)來源于（）。A.直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)B.宇宙膨脹速率測(cè)量C.大尺度結(jié)構(gòu)形成觀測(cè)D.星系旋轉(zhuǎn)曲線分析E.以上都是二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線上）11.描述宇宙膨脹的哈勃定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為v=H?×_______，其中v是星系的視向退行速度，H?是_______。12.宇宙微波背景輻射具有接近_______的黑體譜特征。13.宇宙學(xué)中，視界距離與宇宙的_______成反比。14.宇宙總能量密度由物質(zhì)密度、_______密度和暗能量密度三部分組成。15.大爆炸核合成主要產(chǎn)生了_______和輕元素的氦、鋰等。16.宇宙中存在的兩種主要的暗物質(zhì)候選粒子是_______和軸子。17.如果宇宙加速膨脹，則其總能量密度必須_______臨界密度。18.宇宙微波背景輻射的微小溫度起伏（各向異性）包含了關(guān)于宇宙早期_______的信息。19.宇宙的年齡可以通過哈勃常數(shù)和宇宙的_______來估算（在簡(jiǎn)化模型下）。20.事件視界是指從宇宙誕生時(shí)刻出發(fā)的光線_______到達(dá)的邊界。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題）21.簡(jiǎn)述大爆炸理論的基本觀點(diǎn)及其主要支持證據(jù)。22.解釋什么是宇宙的視界問題（Hubble'sHorizonProblem）。23.簡(jiǎn)述宇宙微波背景輻射的四大主要特性。24.比較重子物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的主要區(qū)別。25.簡(jiǎn)述宇宙從大爆炸后最初幾分鐘到數(shù)十億年的主要演化階段及其特征。四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行較為全面的闡述）26.論述宇宙微波背景輻射對(duì)于理解宇宙起源和演化的重要性。它揭示了宇宙早期的哪些關(guān)鍵信息？27.闡述暗物質(zhì)和暗能量當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)和未來的研究方向。28.假設(shè)我們探測(cè)到了原初引力波信號(hào)，這將如何改變我們對(duì)宇宙起源和演化的理解？試卷答案一、選擇題1.E2.C3.D4.B5.C6.B7.A8.B9.C10.E二、填空題11.距離；哈勃常數(shù)12.黑體13.年齡14.暗物質(zhì)15.氫16.中微子17.大于18.演化歷史19.曲率20.最終能夠三、簡(jiǎn)答題21.大爆炸理論的基本觀點(diǎn)：宇宙起源于大約138億年前一個(gè)極端熾熱、致密的奇點(diǎn)狀態(tài)，此后宇宙開始膨脹并逐漸冷卻，形成了我們今天觀測(cè)到的宇宙。基本支持證據(jù)包括：宇宙的紅移和哈勃定律（表明宇宙膨脹）、宇宙元素的豐度（與大爆炸核合成預(yù)測(cè)一致）、宇宙微波背景輻射（大爆炸的“余暉”）以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成等。22.視界問題：宇宙的視界問題是指，根據(jù)宇宙膨脹模型，不同區(qū)域空間由于膨脹，它們?cè)谠缙跁r(shí)是彼此不可見的（位于對(duì)方的視界之外）。然而，現(xiàn)代觀測(cè)表明，宇宙在非常大尺度上看起來是高度均勻和各向同性的。這意味著在早期宇宙的任意一點(diǎn)，無論朝哪個(gè)方向看，都應(yīng)該能看到幾乎相同的狀態(tài)。這挑戰(zhàn)了標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模型，因?yàn)樾畔o法以超光速傳播，無法從視界之外區(qū)域影響我們看到的早期宇宙狀態(tài)。23.宇宙微波背景輻射的四大主要特性：(1)黑體譜：CMB的溫度分布非常接近理想黑體輻射譜，其峰值溫度約為2.7K，這是大爆炸理論的重要預(yù)言和證據(jù)。(2)高度各向同性：在整個(gè)天空上，CMB的溫度起伏非常微小，標(biāo)準(zhǔn)偏差只有十萬分之一，表明早期宇宙極其均勻。(3)微小各向異性：盡管整體均勻，但存在微小的溫度起伏（約十萬分之一的變化），這些起伏包含了早期宇宙密度擾動(dòng)的信息，是結(jié)構(gòu)形成的種子。(4)偏振：CMB具有特定的偏振模式，這是光子在光子退耦時(shí)與早期等離子體相互作用留下的印記，為研究早期宇宙物理提供了新的途徑。24.重子物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的主要區(qū)別：(1)重子物質(zhì)：由構(gòu)成原子核的基本粒子（質(zhì)子和中子）以及電子等組成的物質(zhì)，是普通物質(zhì)，參與強(qiáng)相互作用、電磁相互作用，可以通過直接觀測(cè)（如光譜、成像）探測(cè)到其部分效應(yīng)。其密度約占宇宙總質(zhì)能的5%。(2)暗物質(zhì)：不參與電磁相互作用（或參與極弱），因此不發(fā)光、不反射光、不吸收光，難以直接探測(cè)。主要通過其引力效應(yīng)被間接探測(cè)到，例如星系旋轉(zhuǎn)曲線異常、星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)、引力透鏡效應(yīng)等。其密度約占宇宙總質(zhì)能的27%。(3)暗能量：一種假設(shè)的、具有負(fù)壓強(qiáng)的能量形式，被認(rèn)為是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。它均勻地填充在整個(gè)空間中，不隨宇宙膨脹而減少。其密度約占宇宙總質(zhì)能的68%。暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)仍然是物理學(xué)和宇宙學(xué)的重大謎團(tuán)。25.宇宙主要演化階段及其特征：(1)大爆炸后毫秒：極高溫高壓，夸克-膠子等離子體，發(fā)生核子形成（質(zhì)子和中子合成）。(2)核合成時(shí)期（幾分鐘）：宇宙冷卻到允許質(zhì)子和中子結(jié)合形成氘、氦等輕元素。(3)宇宙輻射時(shí)期（數(shù)百萬年）：光子仍然與重子物質(zhì)頻繁相互作用，宇宙處于“黑暗時(shí)代”，主要是中微子、電子、光子等組成的等離子體。(4)光子退耦時(shí)期（約38萬年）：宇宙進(jìn)一步冷卻，電子與原子核結(jié)合形成中性原子（復(fù)原子化），光子可以自由傳播，形成我們今天觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射。(5)恒星和星系形成時(shí)期（數(shù)億年至數(shù)十億年）：引力作用導(dǎo)致物質(zhì)開始聚集，形成第一代恒星和星系，恒星內(nèi)部的核聚變產(chǎn)生了更重的元素，宇宙逐漸變得透明，大尺度結(jié)構(gòu)（星系團(tuán)、超星系團(tuán)）逐漸形成。四、論述題26.CMB對(duì)理解宇宙起源和演化的重要性及其揭示的信息：宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸理論的直接殘余證據(jù)，其存在本身證實(shí)了宇宙起源于一個(gè)高溫高密狀態(tài)并經(jīng)歷了膨脹冷卻。CMB的重要性體現(xiàn)在：首先，它提供了對(duì)早期宇宙（光子退耦時(shí)刻，約38萬年時(shí)）天空溫度分布的“快照”，其整體的黑體譜反映了早期宇宙的接近熱力學(xué)平衡狀態(tài)；其次，其微小的溫度起伏（各向異性）包含了早期宇宙密度不均勻的信息，這些密度擾動(dòng)經(jīng)過后續(xù)數(shù)十億年的引力演化，最終形成了我們今天觀測(cè)到的星系、星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)；通過精確測(cè)量CMB的各向異性功率譜，可以推斷早期宇宙的物理性質(zhì)，如宇宙的幾何形狀（平坦）、物質(zhì)密度（重子物質(zhì)、冷暗物質(zhì)的比例）、哈勃常數(shù)等基本參數(shù)；CMB的偏振信息則提供了關(guān)于早期宇宙磁場(chǎng)的線索以及更早期物理過程（如原初引力波）的潛在證據(jù)?？傊?，CMB是研究宇宙起源、早期演化和基本組成的關(guān)鍵窗口。27.暗物質(zhì)和暗能量當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)和未來的研究方向：挑戰(zhàn)：(1)性質(zhì)未知：暗物質(zhì)是什么粒子？暗能量是什么形式（quintessence模型、修改引力學(xué)說）？目前缺乏直接的實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)證據(jù)揭示其本質(zhì)。(2)間接證據(jù)的間接性：探測(cè)暗物質(zhì)大多依賴于其引力效應(yīng)或弱相互作用，而暗能量的研究主要基于對(duì)宇宙加速膨脹的間接推斷，這些都存在系統(tǒng)誤差或需要依賴復(fù)雜的模型。(3)理論解釋困難：將暗物質(zhì)和暗能量納入現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論框架存在困難，可能需要新的物理理論。(4)能量密度演化問題：暗能量的密度似乎不隨宇宙膨脹而變化（真空能密度），這與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的標(biāo)量場(chǎng)（quintessence）模型有出入。(5)宇宙學(xué)參數(shù)一致性：不同的宇宙學(xué)觀測(cè)（CMB、超新星、大尺度結(jié)構(gòu)）對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的含量測(cè)量結(jié)果存在一定差異或系統(tǒng)不確定性。未來研究方向：(1)暗物質(zhì)探測(cè)：繼續(xù)進(jìn)行直接探測(cè)（如XENON,LUX,DarkSide）、間接探測(cè)（如ATLASCollaboration,FERMI-LAT伽馬射線望遠(yuǎn)鏡）和碰撞對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)搜索暗物質(zhì)粒子。開發(fā)新的探測(cè)技術(shù)和策略。(2)暗能量研究：通過更精確的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)分析（結(jié)合CMB、超新星、BAO、宇宙微波背景偏振等多條線索）約束暗能量的性質(zhì)和演化。發(fā)展新的暗能量模型。探索修正引力學(xué)說作為替代方案的可能性。(3)多信使天文學(xué)：結(jié)合引力波、中微子等新信使天文學(xué)數(shù)據(jù)，尋找可能由暗物質(zhì)或暗能量主導(dǎo)的天體物理過程或信號(hào)。(4)理論研究：深化粒子物理模型與宇宙學(xué)的結(jié)合，發(fā)展弦理論、圈量子引力等候選理論，尋找能自然解釋暗物質(zhì)和暗能量的理論框架。28.原初引力波信號(hào)探測(cè)對(duì)宇宙起源和演化的潛在影響：原初引力波是宇宙誕生最初階段（如暴脹時(shí)期、宇宙早期相變、大爆炸本身）發(fā)生的劇烈事件產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，它攜帶著關(guān)于宇宙最早期物理過程的信息。探測(cè)到原初引力波信號(hào)將具有革命性的意義：首先，它將是宇宙大爆炸“余暉”的另一種形式（除了CMB），直接證實(shí)早期宇宙可能存在劇烈的暴脹或其他劇烈事件，為解釋宇宙的平坦性、視界問題、哈勃常數(shù)等問題提供新