2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——暗物質(zhì)對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的影響考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪項(xiàng)不是暗物質(zhì)的主要特征？A.不發(fā)光B.不與電磁波相互作用C.主要由重子物質(zhì)構(gòu)成D.通過引力效應(yīng)被探測(cè)到2.以下哪種觀測(cè)現(xiàn)象是暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)？A.宇宙微波背景輻射的各向異性B.星系旋轉(zhuǎn)曲線C.宇宙膨脹加速D.宇宙射線中的高能粒子3.下列哪種探測(cè)方法屬于暗物質(zhì)的直接探測(cè)？A.觀測(cè)星系團(tuán)的質(zhì)量B.捕獲暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)相互作用的信號(hào)C.分析宇宙微波背景輻射的偏振D.測(cè)量星系團(tuán)中的引力透鏡效應(yīng)4.冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型中，暗物質(zhì)的主要作用是？A.提供宇宙中的重元素B.驅(qū)動(dòng)宇宙的膨脹C.作為星系和星團(tuán)形成的基本骨架D.引起宇宙微波背景輻射的起伏5.大尺度結(jié)構(gòu)的形成主要是由什么驅(qū)動(dòng)的？A.恒星形成B.電磁力C.暗物質(zhì)引力勢(shì)阱D.宇宙微波背景輻射6.下列哪種粒子被認(rèn)為是最有可能的暗物質(zhì)候選粒子？A.電子B.中微子C.弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）D.光子7.宇宙微波背景輻射的角功率譜中，最大的峰值對(duì)應(yīng)的是？A.宇宙的年齡B.宇宙的質(zhì)子密度C.宇宙的暗物質(zhì)密度D.宇宙的氦氣密度8.暗物質(zhì)暈是指什么？A.星系團(tuán)中暗物質(zhì)分布的中心區(qū)域B.星系中暗物質(zhì)分布的球狀區(qū)域C.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中暗物質(zhì)分布的區(qū)域D.暗物質(zhì)粒子碰撞產(chǎn)生的區(qū)域9.下列哪個(gè)實(shí)驗(yàn)不屬于暗物質(zhì)間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)？A.ATLAS實(shí)驗(yàn)B.CDMS實(shí)驗(yàn)C.PANDA實(shí)驗(yàn)D.LIGO實(shí)驗(yàn)10.如果宇宙中沒有暗物質(zhì)，那么下列哪個(gè)現(xiàn)象將不會(huì)發(fā)生？A.星系旋轉(zhuǎn)曲線將符合經(jīng)典力學(xué)預(yù)測(cè)B.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)將不會(huì)形成C.宇宙微波背景輻射將更加均勻D.宇宙膨脹將減速二、填空題（每空1分，共10分）1.暗物質(zhì)是指那些不與電磁力相互作用，但通過__________相互作用被探測(cè)到的物質(zhì)。2.宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的__________遺留下來的輻射。3.星系旋轉(zhuǎn)曲線是指星系中恒星的__________與__________的關(guān)系。4.冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型中，暗物質(zhì)的主要成分是__________，熱暗物質(zhì)的主要成分是__________。5.宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程被稱為__________，它是由引力不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的。6.暗物質(zhì)粒子可以通過__________和__________相互作用的途徑被探測(cè)到。7.宇宙學(xué)中常用的暗物質(zhì)密度參數(shù)是__________，它表示暗物質(zhì)質(zhì)量占宇宙總質(zhì)量的比例。8.暗物質(zhì)暈的形態(tài)通常是__________，它在星系和星系團(tuán)的形成中起著重要的作用。9.宇宙微波背景輻射的偏振信息可以用來探測(cè)__________。10.暗物質(zhì)研究的最新進(jìn)展表明，__________可能是暗物質(zhì)的一種重要形式。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述暗物質(zhì)直接探測(cè)和間接探測(cè)的基本原理。2.解釋星系旋轉(zhuǎn)曲線為何能夠作為暗物質(zhì)存在的證據(jù)。3.描述冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型中，宇宙結(jié)構(gòu)的形成過程。4.討論暗物質(zhì)研究面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。四、計(jì)算題（10分）假設(shè)一個(gè)星系的質(zhì)量為$10^{11}M_{\odot}$，星系半徑為50kpc。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，距離星系中心10kpc處的恒星繞星系中心做圓周運(yùn)動(dòng)，速度為200km/s。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，計(jì)算該處恒星所受的引力加速度。假設(shè)該處星系的總質(zhì)量都集中在星系中心，計(jì)算該處暗物質(zhì)的質(zhì)量密度。已知$G=4.3\times10^{-3}\mathrm{km}^3\mathrm{M}_{\odot}^{-1}\mathrm{s}^{-2}$。五、論述題（20分）討論暗物質(zhì)存在的不同理論模型，并分析每種模型的優(yōu)缺點(diǎn)。你認(rèn)為未來暗物質(zhì)研究的主要方向是什么？為什么？試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.C6.C7.C8.B9.D10.B解析1.暗物質(zhì)不與電磁力相互作用，主要由非重子物質(zhì)構(gòu)成，故C正確。2.星系旋轉(zhuǎn)曲線顯示外層恒星的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)高于僅由可見物質(zhì)解釋的速度，表明存在額外的暗物質(zhì)提供引力，故B正確。3.直接探測(cè)旨在捕獲暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)碰撞的信號(hào)，如WIMP探測(cè)器，故B正確。4.冷暗物質(zhì)因其低速運(yùn)動(dòng)，其引力作用緩慢地形成了宇宙結(jié)構(gòu)，如星系和星系團(tuán)，故C正確。5.暗物質(zhì)形成的引力勢(shì)阱吸引了普通物質(zhì)，形成了大尺度結(jié)構(gòu)，故C正確。6.WIMP因其性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子相似，且與暗物質(zhì)密度觀測(cè)相符，被認(rèn)為是主要候選粒子，故C正確。7.角功率譜的最大峰值對(duì)應(yīng)宇宙早期密度擾動(dòng)的尺度，與暗物質(zhì)密度相關(guān)，故C正確。8.暗物質(zhì)暈是星系周圍由暗物質(zhì)組成的近似球狀區(qū)域，故B正確。9.LIGO探測(cè)引力波，不屬于暗物質(zhì)探測(cè)，故D正確。10.若無暗物質(zhì)，星系旋轉(zhuǎn)曲線將符合經(jīng)典預(yù)期，即速度隨距離減小，故B正確。二、填空題1.引力2.余暉3.速度，距離4.暗物質(zhì)，熱暗物質(zhì)5.結(jié)構(gòu)形成6.弱相互作用，強(qiáng)相互作用7.$\Omega_{\mathrm{DM}}$8.球狀9.暗物質(zhì)10.模型粒子解析1.暗物質(zhì)通過引力影響普通物質(zhì)，其相互作用僅為引力。2.宇宙微波背景輻射是早期高溫宇宙的輻射余暉。3.星系旋轉(zhuǎn)曲線描述了恒星旋轉(zhuǎn)速度與距離星系中心的距離關(guān)系。4.冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型認(rèn)為暗物質(zhì)是主要成分，熱暗物質(zhì)如中微子被排除在外。5.宇宙結(jié)構(gòu)形成是指星系、星系團(tuán)等在大尺度上的形成過程。6.暗物質(zhì)粒子可通過弱相互作用（如WIMP）和強(qiáng)相互作用（如軸子）被探測(cè)。7.$\Omega_{\mathrm{DM}}$是暗物質(zhì)密度參數(shù)，表示暗物質(zhì)占總質(zhì)能密度的比例。8.暗物質(zhì)暈通常呈球狀分布，為星系提供引力支撐。9.宇宙微波背景輻射的偏振可以提供暗物質(zhì)信息。10.模型粒子（如WIMPs）是暗物質(zhì)研究的熱點(diǎn)。三、簡(jiǎn)答題1.直接探測(cè)通過探測(cè)器捕獲暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)，如核散射、電離等。間接探測(cè)通過觀測(cè)暗物質(zhì)衰變或湮滅產(chǎn)生的次級(jí)粒子，如伽馬射線、中微子、宇宙線等。2.星系旋轉(zhuǎn)曲線顯示外層恒星速度遠(yuǎn)高于僅由可見物質(zhì)提供的引力支持，表明存在暗物質(zhì)提供額外引力，使外層恒星保持高速旋轉(zhuǎn)。3.冷暗物質(zhì)宇宙學(xué)模型中，早期宇宙密度擾動(dòng)導(dǎo)致暗物質(zhì)在引力作用下形成暈狀結(jié)構(gòu)，這些引力中心吸引普通物質(zhì)，逐漸形成星系和星系團(tuán)。4.暗物質(zhì)研究面臨探測(cè)技術(shù)限制、理論模型不確定性等挑戰(zhàn)。未來發(fā)展方向包括新型探測(cè)實(shí)驗(yàn)、理論模型改進(jìn)、多信使天文學(xué)（結(jié)合引力波、中微子等）觀測(cè)等。四、計(jì)算題解：根據(jù)萬有引力定律，恒星所受引力$F=\frac{GMm}{r^2}$，其中$M$為星系總質(zhì)量，$m$為恒星質(zhì)量，$r$為距離。由圓周運(yùn)動(dòng)公式$F=m\frac{v^2}{r}$，得$M=\frac{v^2r}{G}$。代入數(shù)據(jù)，$M=\frac{(200\mathrm{km/s})^2\times10\mathrm{kpc}}{4.3\times10^{-3}\mathrm{km}^3\mathrm{M}_{\odot}^{-1}\mathrm{s}^{-2}}\approx9.25\times10^{11}M_{\odot}$。假設(shè)總質(zhì)量集中在中心，則暗物質(zhì)質(zhì)量$M_{\mathrm{DM}}=M-M_{\mathrm{visible}}$，其中$M_{\mathrm{visible}}$為可見物質(zhì)質(zhì)量（可估計(jì)為$M_{\odot}$量級(jí)）。假設(shè)$M_{\mathrm{visible}}\approx10^8M_{\odot}$，則$M_{\mathrm{DM}}\approx9.15\times10^{11}M_{\odot}$。暗物質(zhì)密度$\rho_{\mathrm{DM}}=\frac{M_{\mathrm{DM}}}{V}=\frac{M_{\mathrm{DM}}}{\frac{4}{3}\pir^3}\approx\frac{9.15\times10^{11}M_{\odot}}{\frac{4}{3}\pi(10\mathrm{kpc})^3}\approx7.7\times10^{-3}M_{\odot}\mathrm{kpc}^{-3}$。五、論述題暗物質(zhì)存在的主要理論模型包括冷暗物質(zhì)（CDM）模型、自作用暗物質(zhì)（AMD）模型和復(fù)合暗物質(zhì)（Hybrid）模型。CDM模型假設(shè)暗物質(zhì)粒子不相互作用或相互作用很弱，其引力效應(yīng)