2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星系團(tuán)物質(zhì)性質(zhì)模擬考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪項(xiàng)不是目前認(rèn)為構(gòu)成星系團(tuán)主要物質(zhì)成分的是？A.恒星B.暗物質(zhì)C.熱星際氣體D.冷暗物質(zhì)2.宏觀引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是？A.單個(gè)恒星的引力場(chǎng)B.星系自身的引力場(chǎng)C.球狀星團(tuán)內(nèi)的引力場(chǎng)D.大尺度引力勢(shì)阱（星系團(tuán)）的引力場(chǎng)3.通過(guò)觀測(cè)星系團(tuán)內(nèi)星系的速度彌散，并應(yīng)用維里定理來(lái)估算星系團(tuán)的總質(zhì)量，這種方法主要探測(cè)到的是？A.熱氣體的質(zhì)量B.恒星系統(tǒng)的質(zhì)量C.暗物質(zhì)的質(zhì)量D.宇宙射線的質(zhì)量4.X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星系團(tuán)主要是為了探測(cè)？A.星系團(tuán)中的暗物質(zhì)暈B.星系團(tuán)中的年輕熱星際氣體C.星系團(tuán)中的星系分布D.星系團(tuán)中心的致密星系5.星系團(tuán)內(nèi)熱氣體主要的加熱機(jī)制中，不包括？A.星系形成過(guò)程中的反饋?zhàn)饔茫ㄈ绯滦潜l(fā)）B.星系團(tuán)內(nèi)部的碰撞和合并過(guò)程C.宇宙微波背景輻射的光子加熱D.星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)6.當(dāng)一個(gè)星系團(tuán)發(fā)生碰撞合并時(shí)，其內(nèi)部的熱氣體溫度通常會(huì)升高，主要原因是？A.恒星形成速率增加B.星系間的直接碰撞和引力相互作用導(dǎo)致氣體加速C.暗物質(zhì)暈的壓縮D.金屬豐度的增加7.弱引力透鏡效應(yīng)主要利用的是？A.宏觀天體（如星系團(tuán)）對(duì)背景光源的光線產(chǎn)生顯著的彎曲B.微小尺度上的引力場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)背景光源光路的影響C.星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的吸積盤(pán)發(fā)出的X射線D.星系團(tuán)內(nèi)熱氣體發(fā)出的同步輻射8.與觀測(cè)星系團(tuán)中熱氣體的X射線發(fā)射相比，探測(cè)暗物質(zhì)的主要困難在于？A.暗物質(zhì)不發(fā)光也不吸光B.暗物質(zhì)會(huì)與觀測(cè)設(shè)備發(fā)生碰撞C.暗物質(zhì)會(huì)干擾X射線的傳播D.暗物質(zhì)只存在于星系團(tuán)中心9.如果一個(gè)星系團(tuán)的光學(xué)觀測(cè)顯示其總質(zhì)量（主要是星系和恒星）遠(yuǎn)小于由引力透鏡或動(dòng)力學(xué)方法測(cè)得的總質(zhì)量，那么最可能的解釋是？A.測(cè)量方法存在系統(tǒng)誤差B.星系團(tuán)正在快速膨脹C.存在大量的暗物質(zhì)D.熱氣體已經(jīng)逃逸出星系團(tuán)10.確定星系團(tuán)中暗物質(zhì)分布的主要方法之一是分析背景光源經(jīng)過(guò)星系團(tuán)時(shí)的引力透鏡效應(yīng)，這種方法最適用于背景光源是什么情況？A.非常靠近星系團(tuán)的點(diǎn)光源B.距離星系團(tuán)極遠(yuǎn)的類星體或星系C.與星系團(tuán)在同一距離的星團(tuán)D.正在快速穿越星系團(tuán)的星系二、填空題1.星系團(tuán)通常被定義為由數(shù)十到數(shù)千個(gè)星系通過(guò)______束縛在一起的大型宇宙結(jié)構(gòu)。2.暗物質(zhì)在星系團(tuán)中通常以______的形式存在，其密度在星系團(tuán)中心最高，并向外逐漸降低。3.觀測(cè)到星系團(tuán)中心存在高密度、高溫（通?？蛇_(dá)數(shù)千萬(wàn)開(kāi)爾文）的______，這是主要的重子物質(zhì)組成部分。4.引力透鏡效應(yīng)的基本原理是引力場(chǎng)會(huì)使經(jīng)過(guò)的光線發(fā)生______。5.動(dòng)力學(xué)方法估算星系團(tuán)質(zhì)量時(shí)，假設(shè)星系團(tuán)處于______狀態(tài)，即引力勢(shì)能的絕對(duì)值等于其總動(dòng)能。6.X射線望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的星系團(tuán)熱氣體發(fā)射主要是由于______過(guò)程產(chǎn)生的。7.星系團(tuán)碰撞合并過(guò)程中，重子物質(zhì)（恒星、氣體、暗物質(zhì)）與暗物質(zhì)之間的______會(huì)導(dǎo)致重子物質(zhì)相對(duì)于暗物質(zhì)發(fā)生“剝離”。8.衡量星系團(tuán)內(nèi)熱氣體物理狀態(tài)的重要參數(shù)包括溫度、密度和______。9.弱引力透鏡效應(yīng)的測(cè)量通常依賴于統(tǒng)計(jì)大量背景光源的______，尋找由星系團(tuán)引力場(chǎng)引起的微小圖像畸變。10.全天巡天項(xiàng)目（如SDSS）通過(guò)觀測(cè)星系團(tuán)的______（或缺乏）來(lái)幫助探測(cè)暗物質(zhì)暈。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述星系團(tuán)中暗物質(zhì)存在的幾種主要觀測(cè)證據(jù)。2.解釋什么是引力透鏡的“Einstein環(huán)”現(xiàn)象，并簡(jiǎn)述其形成條件。3.簡(jiǎn)要說(shuō)明X射線觀測(cè)在研究星系團(tuán)熱氣體方面的重要性。4.描述星系團(tuán)碰撞合并過(guò)程中，重子物質(zhì)和暗物質(zhì)可能發(fā)生的不同行為。四、計(jì)算題1.(10分)某星系團(tuán)位于距離地球D=1.5Gpc處，觀測(cè)到其尺度為R=1Mpc的環(huán)狀引力透鏡結(jié)構(gòu)（Einstein環(huán)），背景光源位于透鏡后方。假設(shè)透鏡只由暗物質(zhì)構(gòu)成，暗物質(zhì)暈可視為球形，且其質(zhì)量分布滿足NFW模型：ρ(r)=ρ?/[r(1+r/a)2]，其中r為離中心的距離，ρ?和a為模型參數(shù)。試計(jì)算該星系團(tuán)暗物質(zhì)暈的總質(zhì)量。(引力常數(shù)G=6.67430×10?11m3kg?1s?2，光速c=3.0×10?m/s，1pc=3.0857×101?m)2.(15分)假設(shè)一個(gè)星系團(tuán)處于維里狀態(tài)，其尺度（以維里半徑r_v表示）為1Mpc。星系團(tuán)內(nèi)所有星系的總質(zhì)量（包括暗物質(zhì)和重子物質(zhì)）均勻分布在該半徑范圍內(nèi)。如果通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法測(cè)得星系團(tuán)內(nèi)星系的速度彌散為σ=500km/s，試估算該星系團(tuán)的總質(zhì)量M。(提示：維里定理Mσ2≈5GMr_v，注意單位統(tǒng)一，1Mpc=3.0857×1022m,1km/s=103m/s)五、論述題結(jié)合星系團(tuán)碰撞合并的理論和觀測(cè)證據(jù)，論述暗物質(zhì)在星系團(tuán)演化過(guò)程中可能扮演的關(guān)鍵角色。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.C4.B5.C6.B7.B8.A9.C10.B二、填空題1.引力2.暗物質(zhì)暈3.熱氣體4.彎曲5.維里6.熱韌致7.引力相互作用8.金屬豐度9.光度分布（或形狀、大?。?0.光度（或星系分布）三、簡(jiǎn)答題1.答案要點(diǎn)：引力透鏡效應(yīng)（強(qiáng)/弱透鏡，Einstein環(huán)/?。?；動(dòng)力學(xué)方法（速度彌散估算質(zhì)量遠(yuǎn)大于可見(jiàn)物質(zhì)）；宇宙學(xué)模擬（星系團(tuán)形成需要大量暗物質(zhì)）；X射線發(fā)射對(duì)比（總質(zhì)量估算，熱氣體質(zhì)量與總質(zhì)量對(duì)比）。任選其中幾點(diǎn)并結(jié)合具體現(xiàn)象闡述即可。解析思路：考察對(duì)暗物質(zhì)主要探測(cè)手段的理解和掌握。需從不同物理角度（引力、動(dòng)力學(xué)、宇宙學(xué)、熱氣體）說(shuō)明暗物質(zhì)存在的證據(jù)。2.答案要點(diǎn)：Einstein環(huán)是當(dāng)背景光源、透鏡（如一個(gè)星系團(tuán)）和觀察者恰好在一條直線上時(shí)形成的完美環(huán)狀像。其形成條件是：背景光源、透鏡核心和觀測(cè)者三者必須嚴(yán)格共線，且透鏡的質(zhì)量分布足以在其核心處產(chǎn)生總偏折角為π弧度的引力場(chǎng)。解析思路：考察對(duì)引力透鏡經(jīng)典現(xiàn)象的理解和形成條件的掌握。3.答案要點(diǎn)：X射線是探測(cè)星系團(tuán)中高溫（數(shù)千萬(wàn)K）熱氣體最直接有效的方法。熱氣體因碰撞電離而產(chǎn)生熱韌致發(fā)射，發(fā)出X射線譜。通過(guò)分析X射線譜可以獲取氣體的溫度、密度、金屬豐度、壓力等關(guān)鍵物理參數(shù)。X射線觀測(cè)還能幫助確定星系團(tuán)的真實(shí)尺度，并發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)分布（通過(guò)引力效應(yīng)對(duì)比氣體分布）。解析思路：考察對(duì)X射線在天文觀測(cè)中，特別是研究星系團(tuán)熱氣體的作用和信息的理解。4.答案要點(diǎn)：碰撞過(guò)程中，重子物質(zhì)（恒星、氣體）和暗物質(zhì)由于相互作用不同而行為不同。重子物質(zhì)會(huì)因相互碰撞和引力加速而減速、發(fā)熱，并在引力作用下被壓縮、加熱甚至被拋射出去。暗物質(zhì)由于不與重子物質(zhì)發(fā)生直接碰撞，其動(dòng)力學(xué)行為主要由引力主導(dǎo)，整體上會(huì)保持相對(duì)較高的速度，并在碰撞后可能發(fā)生重子物質(zhì)與暗物質(zhì)的分離現(xiàn)象，即重子物質(zhì)被“剝離”。解析思路：考察對(duì)星系團(tuán)碰撞合并過(guò)程中重子物質(zhì)與暗物質(zhì)不同行為的理解。四、計(jì)算題1.解：Einstein環(huán)的半徑θE與透鏡距離D、光源距離D'、透鏡質(zhì)量M以及引力常數(shù)G、光速c有關(guān)，關(guān)系式為：θE2=4GM/(c2D)。對(duì)于Einstein環(huán)，D'≈D，所以θE2≈4GM/(c2D)。透鏡的尺度R與環(huán)的角尺度θE成正比，R≈θE*D。因此，R2≈θE2*D2。將θE2的表達(dá)式代入，得到：R2≈(4GM/(c2D))*D2=4GM*D/c2。解出總質(zhì)量M：M≈R2c2/(4GD)。代入數(shù)值計(jì)算：R=1Mpc=1*3.0857*1022mD=1.5Gpc=1.5*103Mpc=1.5*103*3.0857*1022mc=3.0*10?m/sG=6.67430*10?11m3kg?1s?2M≈(1*3.0857*1022)2*(3.0*10?)2/(4*6.67430*10?11*1.5*103*3.0857*1022)M≈(9.521*10?)*(9.0*101?)/(4*6.67430*10?11*1.5*103*3.0857*1022)M≈8.568*1021*9.0*101?/(4*6.67430*1.5*3.0857*10??)M≈7.711*103?/(4*6.67430*1.5*3.0857*10??)M≈7.711*103?/(1.500*10?1)M≈5.14*10??M☉其中M☉=1.98847*103?kg是太陽(yáng)質(zhì)量。M≈5.14*10?M☉(注意：題目中給定的NFW模型參數(shù)ρ?和a未使用，且單位換算或公式應(yīng)用可能有簡(jiǎn)化，此為基于Einstein環(huán)公式的基本計(jì)算思路，實(shí)際星系團(tuán)透鏡可能更復(fù)雜)答案：該星系團(tuán)暗物質(zhì)暈的總質(zhì)量約為5.14×10?M☉。2.解：根據(jù)維里定理，對(duì)于處于維里狀態(tài)的星系團(tuán)，其總動(dòng)能T和總引力勢(shì)能U滿足關(guān)系|U|=2T。又T=0.5*M*σ2，U≈-G*M*m/r_v(其中m是單位質(zhì)量，r_v是維里半徑)。由于|U|=2T，所以G*M*m/r_v=M*σ2。代入m=1，得到G*M/r_v=M*σ2。解出總質(zhì)量M：M=G*r_v/σ2。代入數(shù)值計(jì)算：G=6.67430*10?11m3kg?1s?2σ=500km/s=500*103m/sr_v=1Mpc=1*3.0857*1022mM=6.67430*10?11*3.0857*1022/(500*103)2M=6.67430*10?11*3.0857*1022/(2.5*10?)M≈2.064*1012/2.5*10?M≈0.8256*10?M☉M≈8.256*103M☉(注意：維里半徑r_v有時(shí)定義為總質(zhì)量分布的“有效”尺度，實(shí)際計(jì)算中可能需要更精確的模型，且單位轉(zhuǎn)換需精確)答案：該星系團(tuán)的總質(zhì)量約為8.26×103M☉。五、論述題答案要點(diǎn)：星系團(tuán)碰撞合并是星系團(tuán)演化的關(guān)鍵過(guò)程，也是檢驗(yàn)暗物質(zhì)存在及其作用的重要場(chǎng)景。1.引力作用主導(dǎo)：星系團(tuán)通過(guò)暗物質(zhì)暈的引力相互作用首先吸引并加速，最終發(fā)生碰撞。暗物質(zhì)暈決定了星系團(tuán)的整體動(dòng)力學(xué)行為和碰撞軌跡。2.重子物質(zhì)剝離：在碰撞過(guò)程中，由于重子物質(zhì)（恒星、氣體）與暗物質(zhì)間的引力相互作用不同步（暗物質(zhì)速度相對(duì)更高），以及重子物質(zhì)間的劇烈碰撞，導(dǎo)致重子物質(zhì)受到的沖擊和減速更顯著。這導(dǎo)致在碰撞后，重子物質(zhì)（特別是熱氣體）相對(duì)于暗物質(zhì)被“剝離”出去，形成長(zhǎng)長(zhǎng)的“熱氣體尾跡”或彌散到更大的空間范圍。觀測(cè)到的高溫、大尺度熱氣體尾跡是支持暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)。3.結(jié)構(gòu)擾動(dòng)與重塑：暗物質(zhì)暈的碰撞和相互作用導(dǎo)致星系團(tuán)整體結(jié)構(gòu)的劇烈擾動(dòng)和重塑，影響星系的速度場(chǎng)、空間分布和形成/演化。4.能量注