2025年大學(xué)《天文學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——宇宙加速膨脹理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.以下哪項(xiàng)觀測(cè)證據(jù)最直接地支持了宇宙加速膨脹的結(jié)論？(A)宇宙微波背景輻射的黑體譜(B)觀測(cè)到遙遠(yuǎn)星系的光譜存在藍(lán)移(C)對(duì)Ia型超新星距離-亮度關(guān)系的測(cè)量表明宇宙膨脹在加速(D)大尺度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出近似各向同性的球狀分布2.暗能量被引入宇宙學(xué)的主要目的是為了解釋?zhuān)?A)宇宙早期快速膨脹的現(xiàn)象(B)宇宙中普通物質(zhì)無(wú)法解釋的引力效應(yīng)(C)宇宙總能量密度保持為零的requirement(D)宇宙減速膨脹的觀測(cè)結(jié)果3.在宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）中，導(dǎo)致宇宙加速膨脹的驅(qū)動(dòng)力量被認(rèn)為是：(A)恒星形成過(guò)程中的能量釋放(B)宇宙學(xué)常數(shù)（真空能密度）所代表的排斥性力(C)星系團(tuán)內(nèi)部熱氣體產(chǎn)生的輻射壓力(D)宇宙塵埃對(duì)星光的吸收和散射4.Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”用于測(cè)量宇宙距離的主要原因是：(A)它們的絕對(duì)星等在爆發(fā)時(shí)具有幾乎恒定的值(B)它們的自轉(zhuǎn)速度非常穩(wěn)定(C)它們主要由氫組成(D)它們是星系中心超大質(zhì)量黑洞的產(chǎn)物5.宇宙微波背景輻射（CMB）的視向速度各向異性（溫度漲落）為宇宙加速膨脹提供證據(jù)的方式主要是：(A)直接測(cè)量了暗能量的粒子性質(zhì)(B)揭示了暗能量隨時(shí)間演化的信息，支持需要排斥性項(xiàng)以維持加速(C)證實(shí)了哈勃常數(shù)隨紅移的變化(D)提供了宇宙年齡的精確測(cè)量值6.以下哪種宇宙學(xué)觀測(cè)技術(shù)主要依賴(lài)于引力透鏡效應(yīng)來(lái)推斷宇宙的幾何形狀和物質(zhì)分布？(A)測(cè)量類(lèi)星體的紅移和視向速度(B)分析宇宙微波背景輻射的溫度偏振(C)統(tǒng)計(jì)星系團(tuán)在大尺度結(jié)構(gòu)中的空間分布(D)觀測(cè)遙遠(yuǎn)星系團(tuán)背后更遙遠(yuǎn)天體的圖像扭曲7.導(dǎo)致當(dāng)前哈勃常數(shù)測(cè)量值存在顯著差異（“哈勃張力”）的主要原因是：(A)不同實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)的宇宙年代不同(B)宇宙學(xué)常數(shù)數(shù)值本身存在根本性不確定性(C)基于不同物理原理或觀測(cè)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)（如超新星vsCMB）系統(tǒng)性效應(yīng)不同(D)測(cè)量距離的標(biāo)準(zhǔn)燭光或標(biāo)準(zhǔn)尺本身存在固有誤差8.如果宇宙中沒(méi)有暗能量，那么其未來(lái)的演化命運(yùn)將是：(A)繼續(xù)膨脹，但膨脹速率逐漸減慢至零，最終進(jìn)入“大凍結(jié)”狀態(tài)(B)膨脹加速，最終所有物質(zhì)相互遠(yuǎn)離，能量耗散，進(jìn)入“大撕裂”或“大擠壓”前的狀態(tài)(C)因引力作用開(kāi)始收縮，最終坍縮成奇點(diǎn)(D)宇宙進(jìn)入一種穩(wěn)定的、大小不變的靜態(tài)狀態(tài)9.“標(biāo)準(zhǔn)燭光法”測(cè)量宇宙距離的基本原理是：(A)利用多普勒效應(yīng)測(cè)量天體相對(duì)于我們的速度(B)基于已知物理定律或過(guò)程，測(cè)量天體自身發(fā)出的固定亮度（絕對(duì)星等），并與觀測(cè)到的亮度（視星等）進(jìn)行比較，從而推算距離(C)通過(guò)測(cè)量星系紅移來(lái)反推哈勃常數(shù)(D)利用引力透鏡放大遙遠(yuǎn)天體的視亮度來(lái)估計(jì)距離10.動(dòng)態(tài)暗能量模型（如標(biāo)量場(chǎng)模型）與宇宙學(xué)常數(shù)模型的主要區(qū)別在于：(A)動(dòng)態(tài)暗能量模型的暗能量密度會(huì)隨時(shí)間變化，而宇宙學(xué)常數(shù)模型的暗能量密度保持不變(B)動(dòng)態(tài)暗能量模型預(yù)言暗能量具有質(zhì)量，而宇宙學(xué)常數(shù)模型中的暗能量是無(wú)質(zhì)量的(C)動(dòng)態(tài)暗能量模型不需要超新星觀測(cè)作為證據(jù)，而宇宙學(xué)常數(shù)模型需要(D)動(dòng)態(tài)暗能量模型只適用于早期宇宙，宇宙學(xué)常數(shù)模型適用于整個(gè)宇宙歷史二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述弗里德曼方程是如何預(yù)言宇宙加速膨脹的可能性取決于是否存在暗能量（或宇宙學(xué)常數(shù)）的。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”在測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)（特別是哈勃參數(shù)和宇宙加速膨脹）方面面臨的主要挑戰(zhàn)。3.描述宇宙微波背景輻射（CMB）的角功率譜（溫度漲落隨角度的變化）如何為宇宙加速膨脹提供獨(dú)立的證據(jù)。4.解釋什么是暗能量的“證據(jù)”，并說(shuō)明為什么這些證據(jù)被認(rèn)為是間接的，而非直接測(cè)量暗能量本身。三、論述題（每題15分，共30分。請(qǐng)圍繞題目要求，展開(kāi)論述，闡述觀點(diǎn)，邏輯清晰，表達(dá)完整。）1.綜合考慮Ia型超新星觀測(cè)、宇宙微波背景輻射和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)等主要實(shí)驗(yàn)證據(jù)，論述它們?nèi)绾喂餐赶蛴钪婕铀倥蛎浀慕Y(jié)論，并簡(jiǎn)要分析這些不同證據(jù)之間是否存在一致性或潛在的差異。2.探討當(dāng)前宇宙加速膨脹研究中存在的“哈勃張力”問(wèn)題。分析可能造成不同哈勃常數(shù)測(cè)量結(jié)果差異的潛在原因，并討論這一挑戰(zhàn)對(duì)當(dāng)前宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）意味著什么，可能引向哪些未來(lái)的研究方向。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.A5.B6.D7.C8.A9.B10.A二、簡(jiǎn)答題1.解析思路：弗里德曼方程描述了宇宙動(dòng)力學(xué)演化。當(dāng)考慮總能量密度（包括物質(zhì)、輻射、暗能量）與臨界能量密度的關(guān)系時(shí)，宇宙的膨脹加速與否取決于暗能量的性質(zhì)。對(duì)于具有負(fù)壓強(qiáng)（w<0）的暗能量（如宇宙學(xué)常數(shù)），其提供的斥力會(huì)隨著宇宙膨脹加速，導(dǎo)致宇宙加速膨脹。弗里德曼方程中的第二式涉及加速度項(xiàng)，其正負(fù)由總能量密度的偏離程度和暗能量的壓強(qiáng)特性共同決定。當(dāng)總能量密度略小于臨界密度，且存在足夠強(qiáng)的負(fù)壓暗能量時(shí)，宇宙將開(kāi)始加速膨脹。2.解析思路：Ia型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的主要挑戰(zhàn)在于：1）尋找和識(shí)別：需要在大量背景星系中可靠地區(qū)分Ia型超新星與其他類(lèi)型天體；2）光變曲線形狀和峰值亮度一致性：并非所有Ia型超新星的光變曲線形狀都完全相同，其峰值絕對(duì)星等也可能存在小的系統(tǒng)差異（取決于星族特性、視寧度等），這會(huì)影響距離測(cè)量的精度；3）系統(tǒng)誤差：超新星觀測(cè)需要依賴(lài)星系本動(dòng)速度、距離模量中的宿主星系距離等，這些環(huán)節(jié)都可能引入系統(tǒng)不確定性和誤差，累積起來(lái)影響最終的宇宙學(xué)結(jié)論。3.解析思路：CMB是宇宙早期遺留下來(lái)的熱輻射。其角功率譜P(k)描述了溫度漲落隨角尺度θ（對(duì)應(yīng)空間波數(shù)k）的變化。加速膨脹的宇宙學(xué)模型預(yù)言了特定的CMB功率譜形狀，特別是峰值位置和相對(duì)高度。觀測(cè)到的CMB功率譜在角度θ~10??弧度處存在一個(gè)顯著峰值。這個(gè)峰值的位置對(duì)應(yīng)著宇宙微波背景輻射形成時(shí)的物理尺度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算，該峰值位置與宇宙的視齡、物質(zhì)密度、暗能量密度等參數(shù)密切相關(guān)。如果宇宙是加速膨脹的，這個(gè)峰值的位置和高度會(huì)有特定的表現(xiàn)。觀測(cè)到的峰值特征與加速膨脹模型（需要暗能量）的預(yù)言高度吻合，而與減速膨脹模型不符，從而為宇宙加速膨脹提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。4.解析思路：“暗能量的證據(jù)”主要是指那些指向宇宙總體能量密度狀態(tài)偏離物質(zhì)主導(dǎo)、且表現(xiàn)出某種形式的排斥性（導(dǎo)致加速膨脹）的觀測(cè)結(jié)果。這些證據(jù)并非直接探測(cè)到暗能量粒子或其相互作用，而是通過(guò)觀測(cè)宇宙的宏觀行為推斷其存在。主要的間接證據(jù)包括：1）超新星觀測(cè)表明宇宙膨脹在加速；2）CMB觀測(cè)（角功率譜）與加速膨脹的宇宙學(xué)模型（如需要暗能量）吻合最好；3）大尺度結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)速率和偏振信號(hào)也支持存在暗能量的宇宙模型。這些證據(jù)共同指向一個(gè)需要暗能量來(lái)解釋的宇宙狀態(tài)，但暗能量本身的性質(zhì)仍然是一個(gè)謎，需要更直接的實(shí)驗(yàn)來(lái)揭示。三、論述題1.解析思路：1.Ia超新星證據(jù)：通過(guò)精確測(cè)量大量Ia型超新星在不同距離（紅移）處的視亮度，發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹速率（哈勃參數(shù)隨紅移的變化）在近幾十年間是增加的，即宇宙在加速膨脹。這是加速膨脹最直接的證據(jù)之一。2.CMB證據(jù)：CMB的角功率譜在特定角度（對(duì)應(yīng)早期宇宙特定物理尺度）處存在一個(gè)峰值。標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算表明，這個(gè)峰值的精確位置和相對(duì)高度與宇宙的總體能量密度（物質(zhì)、輻射、暗能量、暗能量常數(shù)）密切相關(guān)。觀測(cè)到的峰值特征與一個(gè)需要包含顯著暗能量（表現(xiàn)為負(fù)壓強(qiáng)導(dǎo)致加速膨脹）的宇宙模型最為匹配。此外，CMB后隨（polarization）的觀測(cè)也為暗能量的存在提供了獨(dú)立的證據(jù)。3.大尺度結(jié)構(gòu)證據(jù)：對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)（如星系團(tuán)分布）可以用來(lái)推斷宇宙的時(shí)空幾何和物質(zhì)能量密度。同樣地，標(biāo)準(zhǔn)模型的分析表明，觀測(cè)到的大尺度結(jié)構(gòu)演化（如團(tuán)簇?cái)?shù)量隨距離的變化）與包含暗能量的加速膨脹宇宙模型最為一致。4.一致性：上述幾種主要觀測(cè)手段（超新星、CMB、大尺度結(jié)構(gòu)）雖然測(cè)量方法和物理依據(jù)有所不同，但它們獨(dú)立地指向同一個(gè)結(jié)論：宇宙處于加速膨脹狀態(tài)，并且需要引入暗能量來(lái)解釋觀測(cè)結(jié)果。5.差異/挑戰(zhàn)：盡管證據(jù)指向一致，但在具體的測(cè)量數(shù)值上存在一些差異或“張力”。例如，利用Ia超新星測(cè)得的當(dāng)前哈勃常數(shù)值（H?）與利用CMB或其他宇宙學(xué)方法推斷的哈勃常數(shù)值存在約4-5%的差異。這種差異可能源于觀測(cè)中的系統(tǒng)誤差（如超新星的光度標(biāo)度、宿主星系距離測(cè)量，或CMB數(shù)據(jù)處理中的系統(tǒng)性偏差）、暗能量模型的不完善，或者暗示著現(xiàn)有宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可能需要修正。6.結(jié)論：綜合來(lái)看，多方面獨(dú)立的觀測(cè)證據(jù)強(qiáng)有力地支持了宇宙加速膨脹的結(jié)論，并將暗能量作為解釋這一現(xiàn)象的關(guān)鍵成分。同時(shí)，觀測(cè)結(jié)果間的差異也提示我們需要更精確的測(cè)量來(lái)厘清系統(tǒng)誤差，并可能挑戰(zhàn)或完善當(dāng)前的宇宙學(xué)模型。2.解析思路：1.哈勃張力問(wèn)題：指的是利用不同方法測(cè)得的哈勃常數(shù)（H?，表示當(dāng)前宇宙膨脹速率）存在顯著差異。主要方法包括：基于Ia超新星的宇宙距離-紅移關(guān)系，以及基于宇宙微波背景輻射（CMB）的宇宙學(xué)參數(shù)推斷。超新星測(cè)得的H?值通常在70-75km/s/Mpc量級(jí)，而CMB測(cè)得的H?值則傾向于略低，約67-68km/s/Mpc量級(jí)。2.潛在原因分析：*系統(tǒng)誤差：這是導(dǎo)致張力的最常見(jiàn)被認(rèn)為的原因。例如：a)超新星觀測(cè)中，對(duì)其峰值絕對(duì)星等的確定可能存在系統(tǒng)偏差；b)估計(jì)超新星宿主星系的距離（通常利用宿主星系的光度或宇宙學(xué)方法）可能引入不確定性；c)CMB數(shù)據(jù)分析中，對(duì)系統(tǒng)效應(yīng)（如系統(tǒng)誤差、foregroundcontamination的處理）的修正可能不夠完善或存在偏差。*暗能量模型偏差：所有的宇宙學(xué)測(cè)量都基于一個(gè)共同的暗能量模型（通常是標(biāo)量場(chǎng)的動(dòng)態(tài)暗能量模型或宇宙學(xué)常數(shù)）。如果這個(gè)模型本身與真實(shí)的暗能量性質(zhì)不符（例如，暗能量并非完全不變的常數(shù)，或者其演化方式與模型預(yù)測(cè)有差異），那么基于該模型推斷出的H?值就可能存在系統(tǒng)性偏差。*宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的局限性：ΛCDM模型本身可能不是描述宇宙的最終理論。可能存在未知的物理效應(yīng)或需要修正的引力理論，這些都會(huì)影響宇宙的演化，進(jìn)而影響H?的測(cè)量。3.對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的影響：哈勃張力對(duì)當(dāng)前的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）構(gòu)成了一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果張力主要是由系統(tǒng)誤差引起的，那么需要通過(guò)未來(lái)的觀測(cè)來(lái)精確測(cè)量和消除這些誤差。然而，如果張力是真實(shí)的，或者難以用已知的系統(tǒng)誤差來(lái)解釋?zhuān)瑒t可能表明：*ΛCDM模型在描述當(dāng)前宇宙狀態(tài)時(shí)存在缺陷。*需要引入新的暗能量形式或修正現(xiàn)有的暗能量模型。*需要修改廣義相對(duì)論或其他基本物理定律，以適應(yīng)觀測(cè)結(jié)果。