2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙加速膨脹理論與宇宙暗物質(zhì)關(guān)系考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.以下哪項(xiàng)觀測(cè)證據(jù)是支持宇宙加速膨脹的最直接和最有力的證據(jù)？A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.星系團(tuán)在大尺度空間中的分布形態(tài)C.超新星Ia星等隨距離的增加而減弱得比預(yù)期更快D.宇宙中普通物質(zhì)的豐度低于大爆炸核合成理論預(yù)測(cè)2.在Lambda-CDM宇宙學(xué)模型中，宇宙總質(zhì)能密度約分為多少？其中暗能量的占比約為多少？A.物質(zhì)和能量各占一半，暗能量為零B.物質(zhì)占5%，暗能量占68%，暗物質(zhì)占27%C.暗物質(zhì)占5%，暗能量占27%，物質(zhì)和能量各占33%D.暗能量和暗物質(zhì)各占一半，普通物質(zhì)為零3.下列哪種宇宙學(xué)成分主要通過引力透鏡效應(yīng)被間接探測(cè)到？A.暗能量B.普通重子物質(zhì)C.冷暗物質(zhì)D.宇宙常數(shù)4.所謂的“哈勃超新星”指的是：A.一種特別明亮的恒星B.一種由超新星引發(fā)的特殊星系C.一種亮度異常穩(wěn)定、可用于精確測(cè)量距離的超新星D.一種觀測(cè)上表現(xiàn)出異常高速退行的超新星5.如果宇宙沒有暗物質(zhì)，那么根據(jù)當(dāng)前的觀測(cè)數(shù)據(jù)，宇宙的膨脹趨勢(shì)會(huì)是：A.不斷加速B.不斷減速并最終停止膨脹然后坍縮C.不斷減速但永不停止膨脹D.勻速膨脹二、填空題6.通過分析超新星Ia的光度-色指數(shù)關(guān)系（M-VvsB-V），天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)距離越遠(yuǎn)超新星的光度越低，且這種光度隨距離增加的下降速度________(更快/更慢)于僅考慮空間膨脹效應(yīng)時(shí)的預(yù)測(cè)，這是發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的關(guān)鍵證據(jù)。7.宇宙微波背景輻射的偏振角功率譜在特定尺度上出現(xiàn)的峰值，除了證實(shí)宇宙早期經(jīng)歷過大爆炸火球和劇烈的引力波擾動(dòng)外，也被認(rèn)為為宇宙加速膨脹提供了________(直接/間接)的證據(jù)。8.冷暗物質(zhì)（CDM）模型認(rèn)為暗物質(zhì)是由________(自旋為0/自旋為1/自旋為2)粒子組成的，它們不與電磁力相互作用。9.在Lambda-CDM模型中，驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的暗能量成分通常被描述為一種具有負(fù)壓強(qiáng)的________(真空能/物質(zhì)能/輻射能)。10.除了引力作用外，星系旋轉(zhuǎn)曲線和星系團(tuán)尺度上的引力透鏡效應(yīng)都強(qiáng)有力地支持了星系和星系團(tuán)內(nèi)部以及宇宙中存在著大量的________(普通物質(zhì)/暗物質(zhì)/暗能量)。三、簡答題11.請(qǐng)簡述超新星Ia作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”在宇宙學(xué)測(cè)量中的原理及其在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹中的作用。12.描述宇宙微波背景輻射的哪些觀測(cè)特征可以用來約束暗物質(zhì)和暗能量的比例？13.什么是暗物質(zhì)暈？它在星系的形成和演化過程中扮演了怎樣的關(guān)鍵角色？14.簡述Lambda-CDM模型的基本框架，并說明該模型如何解釋宇宙的組成、膨脹歷史以及加速膨脹現(xiàn)象。四、論述題15.試論述宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)是如何挑戰(zhàn)早期宇宙學(xué)模型（如標(biāo)準(zhǔn)BigBang模型）并促使科學(xué)家引入暗能量概念或探索修正引力理論的。請(qǐng)分析這兩種思路各自的依據(jù)、優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。16.比較并分析暗物質(zhì)和暗能量在宇宙學(xué)中的相似之處和根本區(qū)別。討論它們各自存在的證據(jù)類型，以及它們是否可能指向某種更深層次的未被發(fā)現(xiàn)的基本物理原理。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.B二、填空題6.更快7.直接8.自旋為09.真空能10.暗物質(zhì)三、簡答題11.解析思路：超新星Ia是一種核合成接近完全的恒星，其初始物理性質(zhì)高度相似，因此在生命末期爆炸時(shí)具有幾乎恒定的絕對(duì)星等（即絕對(duì)光度）。通過測(cè)量超新星Ia的視星等和它們自身的視向速度（利用多普勒效應(yīng)），可以確定其距離。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超新星的視星等隨距離的增加而下降得比基于哈勃定律的線性關(guān)系更快時(shí)，這意味著宇宙膨脹的速率在增加，即宇宙在加速膨脹。因此，超新星Ia的光度-距離關(guān)系（或等價(jià)的光度-色指數(shù)關(guān)系）成為了宇宙學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，其觀測(cè)到的變化揭示了宇宙加速膨脹這一重大發(fā)現(xiàn)。12.解析思路：宇宙微波背景輻射（CMB）是宇宙早期火球的殘余輻射，其溫度漲落和偏振信息蘊(yùn)含了關(guān)于早期宇宙的豐富信息。CMB功率譜在角尺度約為1度處存在一個(gè)峰值，這個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于宇宙視界在輻射釋放時(shí)刻的大小。通過精確測(cè)量該峰值的位置和形狀，可以推斷出早期宇宙的物理參數(shù)。特別是，對(duì)偏振功率譜的測(cè)量，能夠有效區(qū)分不同的物理過程對(duì)宇宙微波背景的影響。其中，由早期宇宙中自由電子與CMB光子相互作用產(chǎn)生的湯姆遜散射偏振，其功率譜峰值位置和幅度與宇宙的總能量密度（包括物質(zhì)、輻射和暗能量）密切相關(guān)。通過比較觀測(cè)到的偏振功率譜與理論預(yù)測(cè)，可以精確約束暗物質(zhì)和暗能量的相對(duì)豐度。13.解析思路：暗物質(zhì)暈是指在星系或星系團(tuán)周圍存在的、不與電磁輻射相互作用或作用極其微弱的暗物質(zhì)組成的巨大、稀疏的球狀或橢球狀分布區(qū)域。它們通過引力與星系內(nèi)的普通恒星、氣體以及星系團(tuán)內(nèi)的星系相互作用。在星系形成和演化的早期階段，暗物質(zhì)暈首先通過引力吸引，為星系提供了形成所需的大部分質(zhì)量。普通物質(zhì)隨后落入暗物質(zhì)暈的引力勢(shì)阱中，開始形成星系的原型。暗物質(zhì)暈的存在和分布深刻影響了星系盤的形成、旋臂結(jié)構(gòu)、恒星形成速率以及星系團(tuán)的整體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為。它為星系提供了“骨架”，決定了星系的最終質(zhì)量和形態(tài)。14.解析思路：Lambda-CDM模型是目前被廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型?！癓ambda”代表宇宙常數(shù)Λ，它被引入愛因斯坦場(chǎng)方程中，代表一種具有恒定負(fù)壓強(qiáng)的真空能，被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的主要機(jī)制。“CDM”代表冷暗物質(zhì)（ColdDarkMatter），這是一種假設(shè)的、由自旋為0的非玻色子組成的暗物質(zhì)形式，主要通過引力作用影響宇宙結(jié)構(gòu)形成。該模型認(rèn)為宇宙的總質(zhì)能密度由暗能量（約68%，以宇宙常數(shù)形式體現(xiàn)）、冷暗物質(zhì)（約27%）和普通重子物質(zhì)（約5%）構(gòu)成。Lambda-CDM模型成功解釋了宇宙微波背景輻射的觀測(cè)結(jié)果、大尺度結(jié)構(gòu)的形成、星系旋轉(zhuǎn)曲線以及超新星Ia測(cè)量的宇宙加速膨脹等多個(gè)關(guān)鍵觀測(cè)事實(shí)。它描繪了一個(gè)從早期暴脹開始，經(jīng)歷快速膨脹、結(jié)構(gòu)形成，并最終因暗能量的存在而進(jìn)入加速膨脹階段的宇宙演化圖景。15.解析思路：在宇宙加速膨脹被發(fā)現(xiàn)之前，基于廣義相對(duì)論和標(biāo)準(zhǔn)重子物質(zhì)豐度的早期宇宙學(xué)模型（如標(biāo)準(zhǔn)BigBang模型）預(yù)測(cè)宇宙在大爆炸后經(jīng)歷了一段減速膨脹時(shí)期，盡管后來因暗能量的發(fā)現(xiàn)而修正為早期減速、近期加速。超新星Ia觀測(cè)到光度隨距離增加而下降得比預(yù)期更快，表明宇宙膨脹在加速，這與早期模型的預(yù)測(cè)相悖。這一發(fā)現(xiàn)迫使科學(xué)家尋找解釋宇宙加速膨脹的新機(jī)制。引入暗能量的概念是主流思路之一，認(rèn)為存在一種具有負(fù)壓強(qiáng)的神秘能量填充宇宙，其斥力效應(yīng)克服了物質(zhì)間的引力，導(dǎo)致宇宙加速膨脹。另一種思路是探索廣義相對(duì)論的局限性，認(rèn)為在宇宙尺度的極端能量密度下，引力本身的行為需要修正，即發(fā)展修正引力理論。分析這兩種思路：引入暗能量雖然能解釋觀測(cè)，但本質(zhì)仍然未知，且面臨“暗能量性質(zhì)隨時(shí)間變化”等問題；修正引力理論試圖修改物理定律，需要新的觀測(cè)證據(jù)支持，且可能面臨與其它成功領(lǐng)域（如實(shí)驗(yàn)室引力檢驗(yàn)）的潛在沖突。兩種思路都面臨各自的依據(jù)、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。16.解析思路：暗物質(zhì)和暗能量的相似之處在于：1）它們都是宇宙中主要的未解之謎，其總質(zhì)量/能量占比遠(yuǎn)超普通物質(zhì)；2）它們都不與電磁力相互作用，導(dǎo)致它們難以直接被觀測(cè)到，主要通過引力效應(yīng)被間接探測(cè)；3）它們都對(duì)宇宙的演化，特別是宇宙結(jié)構(gòu)的形成和宇宙加速膨脹，起到了關(guān)鍵性的作用。根本區(qū)別在于：1）性質(zhì)與相互作用不同：暗物質(zhì)是物質(zhì)，雖然不與電磁力作用，但仍遵循引力規(guī)律，且可能參與弱相互作用（如WIMPs）；暗能量則被普遍認(rèn)為是某種形式的能量，具有負(fù)壓強(qiáng)，其本質(zhì)物理性質(zhì)完全未知，可能與真空能或修正引力的參數(shù)有關(guān)。2）分布狀態(tài)不同：暗物質(zhì)在宇宙中廣泛分布，并形成了與可見物質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)（如暗物質(zhì)暈）；暗能量的性質(zhì)尚不明確，但觀測(cè)表明其效果似