2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——星系團(tuán)與宇宙膨脹的關(guān)系考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.以下哪一項(xiàng)不屬于星系團(tuán)的主要組成部分？A.橢圓星系B.球狀星團(tuán)C.星系團(tuán)際熱氣體D.暗物質(zhì)2.哈勃定律(v=H?d)中，v代表：A.星系自轉(zhuǎn)速度B.星系團(tuán)內(nèi)部星系速度彌散C.星系相對于我們的退行速度D.宇宙膨脹速率3.造父變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”測量宇宙距離的主要優(yōu)勢在于：A.分布在所有星系團(tuán)中B.光度穩(wěn)定且可測C.距離我們非常近D.視星等非常亮4.Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”相比造父變星，其主要優(yōu)勢是：A.光度變化幅度更大B.觀測周期更短C.光譜特征更簡單，易于識別D.更容易在星系團(tuán)中心找到5.暗物質(zhì)的主要證據(jù)來源于：A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.觀測遙遠(yuǎn)超新星的光度-色指數(shù)關(guān)系C.星系旋轉(zhuǎn)曲線超出可見物質(zhì)預(yù)測的速度D.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的球?qū)ΨQ性6.引力透鏡效應(yīng)主要是由以下什么物質(zhì)引起的？A.星系團(tuán)中的熱氣體B.星系團(tuán)中的星系C.星系團(tuán)周圍的暗物質(zhì)D.星系團(tuán)中心的巨橢圓星系7.宇宙加速膨脹的主要觀測證據(jù)來自于：A.觀測星系團(tuán)的紅移量B.觀測星系團(tuán)內(nèi)部星系的速度彌散C.觀測遙遠(yuǎn)Ia型超新星的光度D.觀測宇宙微波背景輻射的偏振8.在標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型ΛCDM中，代表暗能量的符號是：A.MB.ρ_bC.Ω_mD.Λ9.星系團(tuán)中心通常存在一個(gè)特別亮的星系，稱為亮星系團(tuán)或“古星系”，其主要形成機(jī)制被認(rèn)為是：A.星系團(tuán)形成過程中大量小星系的合并B.星系團(tuán)中心區(qū)域引力勢阱最深C.暗物質(zhì)暈在中心區(qū)域的聚集D.核心區(qū)域恒星形成效率最高10.如果測量哈勃常數(shù)H?的兩種方法（例如，利用造父變星和利用超新星）得到的結(jié)果存在顯著差異，可能的原因包括：A.兩種標(biāo)準(zhǔn)燭光的光度標(biāo)定存在系統(tǒng)誤差B.宇宙膨脹速率本身在變化C.暗物質(zhì)分布存在不均勻性D.以上所有二、填空題1.星系團(tuán)是宇宙中最大、最致密的自引力系統(tǒng)之一，其主要組成部分包括可見物質(zhì)（如星系）、星系團(tuán)際氣體和________。2.根據(jù)哈勃定律，星系的退行速度v與其距離d成正比，比例系數(shù)H?稱為________。3.利用造父變星的周期-星等關(guān)系來確定其________，再結(jié)合其視星等來確定距離。4.Ia型超新星是由于________爆發(fā)產(chǎn)生的，其光度非常穩(wěn)定，被認(rèn)為是“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。5.暗物質(zhì)不發(fā)光、不反射光，主要通過________與普通物質(zhì)相互作用而被間接探測到。6.宇宙微波背景輻射是宇宙早期遺留下來的“余暉”，對其________的測量為驗(yàn)證宇宙學(xué)模型提供了關(guān)鍵證據(jù)。7.引力透鏡效應(yīng)是指引力場（通常由大量暗物質(zhì)構(gòu)成）會使其后方光源發(fā)出的光線發(fā)生________。8.當(dāng)前宇宙學(xué)的主流模型ΛCDM認(rèn)為，宇宙的總能量密度由物質(zhì)（包括重子物質(zhì)和暗物質(zhì)）和________構(gòu)成，其中暗能量占主導(dǎo)地位。9.星系團(tuán)內(nèi)部，星系的速度分布通常呈現(xiàn)高斯分布，其速度分散σ與星系團(tuán)的總質(zhì)量M和尺度R有關(guān)，大致滿足________關(guān)系（開普勒定律類比）。10.宇宙的加速膨脹表明存在一種具有負(fù)壓強(qiáng)的能量形式，通常被稱為________。三、簡答題1.簡述哈勃定律的內(nèi)容及其在天文學(xué)研究中的意義。2.簡述探測暗物質(zhì)存在的幾種主要觀測證據(jù)。3.簡述星系團(tuán)際熱氣體是如何形成的，并說明其主要的物理性質(zhì)。4.簡述星系團(tuán)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程中扮演的角色。四、計(jì)算題假設(shè)觀測到一個(gè)遙遠(yuǎn)星系團(tuán)，其中最亮的一個(gè)星系（可視為團(tuán)心星系）的視星等為m=23.0mag，已知該星系團(tuán)距離我們d=1.5Gpc。如果該星系團(tuán)的光度標(biāo)定基于距離為50pc的絕對星等M_V=-20.8mag的造父變星，請計(jì)算該星系團(tuán)距離我們多少光年？(提示：使用公式m-M=5log??(d/10pc))五、論述題論述星系團(tuán)的研究如何為我們理解暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)以及宇宙的演化歷史提供了關(guān)鍵線索。請結(jié)合具體的觀測事實(shí)或現(xiàn)象進(jìn)行說明。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.C5.C6.C7.C8.D9.A10.D二、填空題1.暗物質(zhì)2.哈勃常數(shù)3.絕對星等4.超新星5.引力6.各向異性7.彎曲8.暗能量9.v2∝GM/R或σ2∝GM/R10.暗能量三、簡答題1.答案:哈勃定律指出星系的退行速度v與其距離d成正比，即v=H?d，其中H?為哈勃常數(shù)。其意義在于揭示了宇宙正在膨脹，為測量宇宙距離、確定宇宙年齡、研究宇宙物質(zhì)組成和演化提供了重要依據(jù)。解析思路:理解哈勃定律公式及其物理意義。闡述其發(fā)現(xiàn)過程（哈勃的工作）。強(qiáng)調(diào)其核心結(jié)論——宇宙膨脹。說明其在宇宙學(xué)參數(shù)測量（距離、年齡）和結(jié)構(gòu)研究中的基礎(chǔ)作用。2.答案:探測暗物質(zhì)的主要觀測證據(jù)包括：星系旋轉(zhuǎn)曲線異常（外圍星系速度遠(yuǎn)超由可見物質(zhì)估算的引力束縛速度）；星系團(tuán)中星系的速度彌散遠(yuǎn)大于可見物質(zhì)和暗物質(zhì)暈估算的總質(zhì)量所能提供的束縛速度；引力透鏡效應(yīng)（由星系團(tuán)中大量暗物質(zhì)暈引起）；宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化（需要暗物質(zhì)提供足夠的引力來束縛結(jié)構(gòu)）；以及多信使天文學(xué)（如GW170817聯(lián)合觀測顯示暗物質(zhì)暈的存在）。解析思路:回顧暗物質(zhì)的定義（不與電磁力相互作用）。列舉幾個(gè)關(guān)鍵的天文觀測現(xiàn)象：星系內(nèi)部動(dòng)力學(xué)（旋轉(zhuǎn)曲線）、星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)（速度彌散）、引力透鏡。可以再提一下宇宙學(xué)尺度上的證據(jù)（結(jié)構(gòu)形成）和最新的多信使天文學(xué)證據(jù)，體現(xiàn)證據(jù)的多樣性和可靠性。3.答案:星系團(tuán)際熱氣體主要由宇宙早期重元素的核合成產(chǎn)物構(gòu)成，在星系形成和演化過程中被拋射出來，并被星系團(tuán)中心的強(qiáng)大引力束縛。它通常處于非常高的溫度（數(shù)百萬開爾文），因此發(fā)出強(qiáng)烈的X射線輻射。其主要物理性質(zhì)包括：高溫度、高密度（團(tuán)中心區(qū)域）、高電離狀態(tài)、整體呈準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)（熱壓力與引力大致平衡）。解析思路:描述氣體的來源（核合成產(chǎn)物，星系風(fēng)）。說明其被束縛的原因（星系團(tuán)引力）。描述其主要形態(tài)和能量狀態(tài)（高溫X射線）。解釋其主要的物理狀態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)平衡）。4.答案:星系團(tuán)是宇宙中最大的自引力系統(tǒng)，構(gòu)成了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的“骨架”。它們通過引力相互作用形成并聚集在一起，其空間分布和演化歷史反映了宇宙初始密度擾動(dòng)的發(fā)展過程。星系團(tuán)內(nèi)部的星系和氣體在團(tuán)內(nèi)引力場的作用下運(yùn)動(dòng)、相互作用甚至合并，這些過程為研究星系形成和演化提供了極端環(huán)境。同時(shí)，通過觀測星系團(tuán)，我們可以探測到占宇宙總物質(zhì)含量約85%的暗物質(zhì)，并利用其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)來研究暗物質(zhì)的分布和性質(zhì)。此外，星系團(tuán)中的熱氣體是宇宙中重元素的主要分布場所。解析思路:闡述星系團(tuán)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的角色（骨架）。說明其形成與宇宙初始擾動(dòng)和引力的關(guān)系。提及星系團(tuán)內(nèi)部動(dòng)力學(xué)對星系演化的影響。強(qiáng)調(diào)星系團(tuán)是探測和研究暗物質(zhì)的重要對象。指出星系團(tuán)中氣體對重元素分布的意義。四、計(jì)算題答案:步驟1：計(jì)算距離d(pc)。公式m-M=5log??(d/10pc)。23.0-(-20.8)=5log??(d/10pc)43.8=5log??(d/10pc)log??(d/10pc)=43.8/5=8.76d/10pc=10?.76d/10pc≈5.90x10?d≈5.90x10?x10pc=5.90x10?pc步驟2：將距離從parsec換算為光年。1pc≈3.26light-years。d≈5.90x10?pcx3.26light-years/pcd≈1.92x101?light-years最終結(jié)果：該星系團(tuán)距離我們約1.92x101?光年。解析思路:利用題目給出的標(biāo)準(zhǔn)燭光（造父變星）的絕對星等和觀測到的視星等，應(yīng)用距離modulus公式計(jì)算距離。首先將距離單位從parsec轉(zhuǎn)換為光年。注意單位換算的常數(shù)（1pc≈3.26ly）。計(jì)算過程需確保對數(shù)運(yùn)算和指數(shù)運(yùn)算準(zhǔn)確。五、論述題答案:星系團(tuán)的研究為理解暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)以及宇宙演化提供了關(guān)鍵線索。首先，星系團(tuán)是宇宙中最大的自引力系統(tǒng)，其整體動(dòng)力學(xué)行為強(qiáng)烈依賴于其總質(zhì)量，包括大量不可見的暗物質(zhì)。通過觀測星系團(tuán)成員星的速度彌散（由開普勒定律類比，v2∝GM/R），可以推算出星系團(tuán)的總質(zhì)量M。通常發(fā)現(xiàn)，觀測到的速度彌散遠(yuǎn)大于僅由可見物質(zhì)（星系和熱氣體）估算的質(zhì)量所能提供的束縛速度，這表明存在大量的暗物質(zhì)暈，其質(zhì)量往往占星系團(tuán)總質(zhì)量的80%-90%。引力透鏡效應(yīng)，特別是星系團(tuán)尺度的大尺度引力透鏡，能夠揭示暗物質(zhì)在星系團(tuán)中的分布，因?yàn)榘滴镔|(zhì)雖然不發(fā)光，但具有引力效應(yīng)，會彎曲其后方光源的光線。對星系團(tuán)中心“亮星系團(tuán)”或“古星系”的動(dòng)力學(xué)研究也表明其運(yùn)動(dòng)速度異常高，需要暗物質(zhì)提供的巨大引力勢阱才能維持。其次，星系團(tuán)的研究也是理解宇宙加速膨脹和暗能量性質(zhì)的重要途徑。宇宙加速膨脹的證據(jù)之一來自于對遙遠(yuǎn)Ia型超新星的觀測。由于Ia型超新星具有幾乎恒定的絕對星等（標(biāo)準(zhǔn)燭光），通過測量其視星等和紅移（退行速度），可以確定其距離。觀測發(fā)現(xiàn)，超新星位于視距更遠(yuǎn)的地方，這意味著宇宙膨脹速率在過去某個(gè)時(shí)期比現(xiàn)在慢。這種加速膨脹表明宇宙中存在一種具有負(fù)壓強(qiáng)的神秘能量，即暗能量。星系團(tuán)自身也在宇宙膨脹的背景下演化，其形成和合并的歷史受到暗能量的影響。通過比較不同宇宙學(xué)參數(shù)（如哈勃常數(shù)H?、物質(zhì)密度ω_m、暗能量密度ω_Λ）的測量值（例如，通過超新星、CMB、BAO等方法），可以檢驗(yàn)和約束ΛCDM模型，并探索暗能量可能隨時(shí)間演化的性質(zhì)。解析思路:開頭點(diǎn)明主旨：星系團(tuán)研究對暗物質(zhì)、暗能量和宇宙演化的線索作用。分點(diǎn)論述：1.暗物質(zhì)線索:重點(diǎn)講星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)（速度彌散推算質(zhì)量）與