2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——宇宙加速膨脹模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題號(hào)后的括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.觀測(cè)表明，來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光譜線紅移量與距離之間存在線性關(guān)系，該關(guān)系由誰(shuí)首次發(fā)現(xiàn)并提出？A.愛因斯坦B.哈勃C.羅默D.布萊恩·格林2.哈勃常數(shù)（H?）的物理意義是？A.宇宙年齡的倒數(shù)B.宇宙膨脹的瞬時(shí)速率C.宇宙總質(zhì)能密度D.宇宙空間曲率3.超新星Ia被用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的主要原因是？A.它們的亮度隨時(shí)間變化劇烈B.它們的絕對(duì)星等在爆發(fā)時(shí)非常穩(wěn)定且已知C.它們只存在于年輕的星系中D.它們的視向速度容易測(cè)量4.導(dǎo)致天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙可能在加速膨脹的最初主要證據(jù)來(lái)自于？A.宇宙微波背景輻射的溫度測(cè)量B.對(duì)遙遠(yuǎn)類星體的光譜分析C.對(duì)大量超新星Ia視亮度的系統(tǒng)性測(cè)量D.大尺度結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果5.宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）在愛因斯坦場(chǎng)方程中代表什么物理量？A.動(dòng)量傳遞B.空間曲率C.真空能量密度D.質(zhì)量密度6.與宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）模型相比，quintessence模型的主要區(qū)別在于？A.它預(yù)測(cè)了負(fù)的宇宙空間曲率B.它認(rèn)為暗能量是靜態(tài)的、不變的C.它認(rèn)為暗能量是動(dòng)態(tài)的、具有負(fù)壓強(qiáng)且可能隨時(shí)間變化D.它不需要修改引力理論7.宇宙微波背景輻射（CMB）的峰值角度尺度主要取決于什么？A.宇宙的初始擾動(dòng)幅度B.宇宙的質(zhì)子密度C.暗能量的性質(zhì)D.宇宙的膨脹速率8.在宇宙加速膨脹的背景下，大尺度結(jié)構(gòu)的形成主要受到什么力的抑制？A.引力B.暗能量產(chǎn)生的排斥力C.星系內(nèi)部摩擦力D.宇宙膨脹的隨機(jī)性9.如果宇宙中暗能量的壓強(qiáng)項(xiàng)主導(dǎo)，那么宇宙的幾何性質(zhì)將傾向于？A.開宇宙（負(fù)曲率）B.拐折宇宙（零曲率）C.擁擠宇宙（正曲率）D.無(wú)法確定10.目前測(cè)量哈勃常數(shù)存在較大爭(zhēng)議，其主要原因是什么？A.超新星Ia觀測(cè)數(shù)據(jù)本身存在很大不確定性B.CMB測(cè)量的哈勃常數(shù)與基于超新星測(cè)量的哈勃常數(shù)存在顯著差異C.哈勃常數(shù)本身就是一個(gè)變化的量D.測(cè)量工具精度不夠二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線上。每空2分，共20分）11.觀測(cè)遙遠(yuǎn)超新星Ia的視向速度與其視亮度（或距離）的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其視向速度________（增加/減?。砻饔钪媾蛎浽诩铀?。12.暗能量被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的一種__________（物質(zhì)/能量）形式，其關(guān)鍵特征之一是具有________（正值/負(fù)值）壓強(qiáng)。13.宇宙微波背景輻射是宇宙誕生早期約________（時(shí)間長(zhǎng)度）后留下的“余暉”，其黑體輻射溫度約為________（溫度值）開爾文。14.使用哈勃定律（v=H?d）計(jì)算宇宙距離時(shí)，H?的單位通常是________（單位名稱），其值的不同會(huì)直接影響對(duì)宇宙年齡的估計(jì)。15.除了超新星Ia和CMB，大尺度結(jié)構(gòu)（如星系團(tuán)）的________（物理量）隨距離的變化也提供了宇宙加速膨脹的證據(jù)。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。每題5分，共20分）16.簡(jiǎn)述哈勃定律（v=H?d）的基本內(nèi)容及其在測(cè)量宇宙距離中的作用。區(qū)分視向速度和空間速度。17.描述至少兩種不同的暗能量模型（例如宇宙學(xué)常數(shù)模型和quintessence模型），并指出它們?cè)诨炯僭O(shè)上的主要區(qū)別。18.簡(jiǎn)要說(shuō)明超新星Ia作為一種“標(biāo)準(zhǔn)燭光”用于測(cè)量宇宙距離的基本原理，以及可能影響其測(cè)量的主要系統(tǒng)誤差來(lái)源。19.解釋宇宙微波背景輻射的角功率譜（CMBpowerspectrum）是什么？為什么它的峰值位置和數(shù)量可以作為檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型的重要依據(jù)？四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟。每題8分，共16分）20.假設(shè)通過(guò)觀測(cè)得到某超新星Ia的視星等m=19.0mag，已知其絕對(duì)星等M=-19.3mag。如果該超新星的距離d（以光年為單位）與其視星等m滿足距離模數(shù)公式μ=m-M=5log??(d/10pc)，計(jì)算該超新星的距離d（以兆光年Mly為單位）。（提示：1Mly=10?ly，1pc≈3.26ly）21.已知哈勃常數(shù)H?≈70km/s/Mly。根據(jù)哈勃定律，估算當(dāng)前宇宙的年齡（以億年Ga為單位）。請(qǐng)說(shuō)明你的計(jì)算假設(shè)，并指出該估算值與實(shí)際宇宙年齡（約138億年）的差異可能源于哪些因素。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，條理清晰地回答下列問(wèn)題。共24分）22.綜合討論至少三種不同的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證據(jù)（如超新星、CMB、大尺度結(jié)構(gòu)等），說(shuō)明支持宇宙加速膨脹的結(jié)論。對(duì)于其中任意一種證據(jù)，簡(jiǎn)要分析其測(cè)量原理和可能存在的系統(tǒng)誤差或不確定性。你認(rèn)為哪種證據(jù)目前最為有力？為什么？23.探討暗能量研究面臨的當(dāng)前主要挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。例如，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)區(qū)分不同的暗能量模型？如何更精確地測(cè)量暗能量的性質(zhì)（如方程態(tài)數(shù)參數(shù)w）？暗能量研究對(duì)于理解宇宙的根本性質(zhì)和物理學(xué)的基本定律有何意義？試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.C5.C6.C7.A8.B9.A10.B二、填空題11.增加12.能量，負(fù)值13.38萬(wàn)年，2.714.公里每秒每兆秒差距(km/s/Mly)15.體積密度（或數(shù)量密度）三、簡(jiǎn)答題16.解析思路：哈勃定律v=H?d描述了星系視向速度v與其距離d之間的線性關(guān)系，其中H?是哈勃常數(shù)。它表明宇宙在膨脹。視向速度是星系由于宇宙膨脹沿視線方向的多普勒頻移導(dǎo)致的速率，而空間速度是星系在空間中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度，包含視向速度和切向速度的矢量和。哈勃定律基于多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移（推算視向速度）并結(jié)合其他距離測(cè)量方法（如標(biāo)準(zhǔn)燭光），建立視向速度與距離的關(guān)系。它為測(cè)量宇宙大尺度距離提供了一個(gè)基本工具，并揭示了宇宙的整體膨脹趨勢(shì)。17.解析思路：宇宙學(xué)常數(shù)模型（ΛCDM模型）假設(shè)暗能量由一種均勻分布在空間中、密度不變（但具有負(fù)壓強(qiáng)）的“幽靈物質(zhì)”構(gòu)成，其能量密度對(duì)應(yīng)于真空能量，在愛因斯坦方程中體現(xiàn)為宇宙學(xué)常數(shù)Λ。quintessence模型則假設(shè)暗能量是一種動(dòng)態(tài)的、具有負(fù)壓強(qiáng)的標(biāo)量場(chǎng)，其能量密度和壓強(qiáng)可以隨時(shí)間和空間位置變化。兩者的主要區(qū)別在于暗能量的性質(zhì)是否隨時(shí)間變化（Λ是靜態(tài)的，quintessence是動(dòng)態(tài)的）。18.解析思路：超新星Ia是特定類型恒星（白矮星）爆炸形成的劇烈事件，其初始物理狀態(tài)高度相似，導(dǎo)致在不同距離處觀測(cè)到的峰值亮度（絕對(duì)星等）非常接近且穩(wěn)定。通過(guò)測(cè)量遙遠(yuǎn)超新星Ia的視亮度（視星等），并結(jié)合其已知的絕對(duì)星等，可以利用距離模數(shù)公式μ=m-M=5log??(d/10pc)反推出它們的距離d。系統(tǒng)誤差來(lái)源可能包括超新星的光度測(cè)光不確定性、宿主星系塵埃紅移修正的誤差、超新星的光變曲線形態(tài)差異導(dǎo)致的星等標(biāo)定誤差（顏色-星等關(guān)系）等。19.解析思路：CMB角功率譜是描述CMB溫度在天空不同角度上的起伏程度（功率）的函數(shù)。它量化了溫度在空間上的相關(guān)性隨角度大小（或距離）的變化。CMB是宇宙早期遺留下來(lái)的黑體輻射，其微小的溫度起伏（約十萬(wàn)分之一）記錄了早期宇宙的密度擾動(dòng)。這些擾動(dòng)的初始特征（角功率譜的形狀和峰值位置）對(duì)宇宙的演化（如膨脹速率、物質(zhì)密度）非常敏感。通過(guò)測(cè)量CMB角功率譜，可以精確檢驗(yàn)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）的參數(shù)，如宇宙幾何（曲率）、物質(zhì)密度（包括暗物質(zhì)和暗能量）等，因此是檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型的關(guān)鍵依據(jù)。四、計(jì)算題20.解析思路：使用距離模數(shù)公式μ=m-M=5log??(d/10pc)。*代入已知值：19.0-(-19.3)=5log??(d/10pc)*計(jì)算距離模數(shù)：38.3=5log??(d/10pc)*兩邊除以5：7.66=log??(d/10pc)*將對(duì)數(shù)方程轉(zhuǎn)換為指數(shù)方程：d/10pc=10^7.66*計(jì)算d/10pc≈4.55×10^7pc*計(jì)算距離d≈4.55×10^7pc×3.26ly/pc≈1.48×10?ly*轉(zhuǎn)換為兆光年：d≈148Mly*答案：d≈148Mly21.解析思路：哈勃常數(shù)H?≈70km/s/Mly可以理解為每兆光年空間膨脹70公里每秒。根據(jù)H?=v/d，其中v是距離d處的空間膨脹速率。宇宙年齡t?可以通過(guò)將空間速率的倒數(shù)積分得到：t?≈1/H?。注意H?的單位需要統(tǒng)一為s?1，1Mly=10?ly，1ly=9.461×101?m。*H?≈70km/s/Mly=70×103m/s/(10?×9.461×101?m)s?1≈7.38×10?1?s?1*宇宙年齡t?≈1/(7.38×10?1?s?1)≈1.35×101?s*將秒轉(zhuǎn)換為年：t?≈(1.35×101?s)/(3.154×10?s/yr)≈4.29×10?yr*轉(zhuǎn)換為億年：t?≈4.29Ga*解析：該計(jì)算基于一個(gè)恒定的哈勃常數(shù)（即靜態(tài)宇宙模型）。實(shí)際宇宙存在加速膨脹，真實(shí)的哈勃常數(shù)隨時(shí)間變化，且不同方法測(cè)量的哈勃常數(shù)存在差異（見選擇題10），導(dǎo)致更精確的宇宙年齡估算值約為138億年。差異原因包括：①本計(jì)算假設(shè)H?恒定，忽略了暗能量的影響；②測(cè)量H?本身存在不確定性和系統(tǒng)誤差（見選擇題10）；③宇宙并非完全平坦。*答案：t?≈4.29Ga(基于恒定H?的簡(jiǎn)化估算)五、論述題22.解析思路：*超新星Ia觀測(cè)：超新星Ia作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，其亮度隨距離增加而減弱。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)超新星的視向速度（由紅移計(jì)算）比根據(jù)其視亮度推算出的距離所對(duì)應(yīng)的預(yù)期速度要大，即宇宙膨脹速率隨時(shí)間推移在增加，表明加速膨脹。主要不確定性在于超新星的光度系統(tǒng)誤差和宿主星系塵埃修正。*宇宙微波背景輻射（CMB）：CMB的角功率譜在給定宇宙學(xué)參數(shù)（如總質(zhì)能密度、曲率）下有精確的理論預(yù)測(cè)。觀測(cè)到的CMB角功率譜的峰值位置和數(shù)量與理論預(yù)測(cè)高度吻合，但要求宇宙學(xué)參數(shù)中必須包含一個(gè)具有負(fù)壓強(qiáng)的動(dòng)態(tài)暗能量成分（通常以方程態(tài)數(shù)參數(shù)w≈-1的暗能量模型解釋），才能同時(shí)滿足峰值數(shù)量和特定峰值位置的觀測(cè)結(jié)果。這間接支持了加速膨脹和暗能量的存在。*大尺度結(jié)構(gòu)：觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙中星系和星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)的分布并非均勻，而是形成了一定的網(wǎng)絡(luò)狀或纖維狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的形成和演化受到引力（吸引）和宇宙膨脹（排斥）的共同影響。觀測(cè)表明，在較早期宇宙中，引力作用可能主導(dǎo)，但在更大尺度或更晚期，暗能量產(chǎn)生的排斥效應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)，阻止了結(jié)構(gòu)的過(guò)度聚集，并使宇宙膨脹加速。例如，星系團(tuán)數(shù)量的演化或特定尺度結(jié)構(gòu)的形成時(shí)間都與加速膨脹模型預(yù)測(cè)一致。*證據(jù)比較與選擇：超新星觀測(cè)提供了直接的宇宙距離和膨脹速率隨時(shí)間變化的信息，被認(rèn)為是證明加速膨脹的最直接證據(jù)。CMB觀測(cè)提供了關(guān)于宇宙早期狀況和整體幾何、物質(zhì)組成的精確信息，間接但強(qiáng)有力地支持了包含暗能量的加速宇宙模型。大尺度結(jié)構(gòu)觀測(cè)則提供了宇宙演化的歷史記錄。這些證據(jù)相互印證，但各自的測(cè)量精度和系統(tǒng)誤差不同。目前，綜合多種證據(jù)（特別是超新星和CMB），暗能量和加速膨脹的模型獲得了最強(qiáng)有力的支持。*最有力的證據(jù)：綜合來(lái)看，結(jié)合了超新星（距離和速率）和CMB（早期擾動(dòng)和整體參數(shù)）的觀測(cè)證據(jù)，構(gòu)成了目前最有力的證據(jù)鏈條。特別是CMB數(shù)據(jù)對(duì)宇宙整體參數(shù)的強(qiáng)約束，使得包含暗能量的加速宇宙模型成為當(dāng)前宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型（ΛCDM）。23.解析思路：*主要挑戰(zhàn)：1.暗能量的本質(zhì)：目前我們對(duì)暗能量的物理性質(zhì)幾乎一無(wú)所知。它是某種新的基本粒子/場(chǎng)，還是時(shí)空本身的某種修正？這是最大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有模型大多基于假設(shè)，缺乏實(shí)驗(yàn)直接證據(jù)。2.測(cè)量精度：精確測(cè)量暗能量的性質(zhì)（如方程態(tài)數(shù)參數(shù)w≈-1）需要極高精度的宇宙學(xué)觀測(cè)。然而，宇宙距離尺度的測(cè)量（特別是哈勃常數(shù)H?的爭(zhēng)議）和CMB極化等實(shí)驗(yàn)仍面臨系統(tǒng)誤差和不確定性，限制了我們對(duì)暗能量性質(zhì)的精確約束。3.理論模型：現(xiàn)有的暗能量模型（如quintessence、修正引力理論）往往面臨理