2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙學：宇宙起源和演化考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.以下哪一項不是大爆炸理論的主要觀測證據(jù)？(A)宇宙的膨脹（哈勃定律）(B)宇宙微波背景輻射(C)宇宙中輕元素（如氫、氦）的豐度(D)星系光譜的藍移現(xiàn)象(E)宇宙大尺度結構的分布2.宇宙微波背景輻射是宇宙年齡約為38萬年時的“余暉”，其主要原因是：(A)宇宙最初的高溫高壓氣體冷卻并透明化(B)宇宙中第一個恒星爆炸產(chǎn)生的輻射(C)暗物質(zhì)相互碰撞發(fā)出的能量(D)宇宙空間本身的膨脹導致輻射波長紅移(E)宇宙早期存在的技術文明發(fā)出的信號3.暴脹理論主要解釋了哪個宇宙學問題？(A)宇宙中重元素的形成機制(B)宇宙為何是平坦的(C)宇宙膨脹減速的原因(D)宇宙微波背景輻射的各向異性起源(E)宇宙暗物質(zhì)的存在證據(jù)4.根據(jù)大爆炸核合成理論，宇宙最初幾分鐘內(nèi)的主要產(chǎn)物是：(A)重元素和氦(B)氫和氦(C)氦和鋰(D)氫和重元素(E)暗物質(zhì)和暗能量5.哈勃定律（v=H?d）描述了什么關系？(A)星系亮度與其距離的關系(B)星系紅移量與其年齡的關系(C)星系視星等與其距離的關系(D)星系紅移量與其距離的關系(E)宇宙膨脹速率與時間的關系6.宇宙加速膨脹的主要證據(jù)來自于對以下哪類天體的觀測？(A)宇宙微波背景輻射的溫度漲落(B)宇宙早期形成的類星體(C)宇宙中最近才形成的年輕星系(D)高紅移超新星的光度(E)星系團內(nèi)部的引力相互作用7.在宇宙學中，“視界”通常指：(A)觀測者能看到的宇宙最大范圍(B)宇宙未來可能膨脹到的最大尺度(C)兩個星系因宇宙膨脹而相互遠離的最遠距離(D)宇宙早期光子能夠傳播的最遠距離(E)暗物質(zhì)影響星系運動的邊界8.導致宇宙大尺度結構（如星系團）形成的關鍵因素是：(A)宇宙初始存在的微小密度擾動(B)宇宙微波背景輻射的偏振模式(C)恒星和星系自身的引力(D)暗能量的排斥作用(E)早期宇宙中強烈的超新星爆發(fā)9.如果宇宙的總能量（或物質(zhì)）密度恰好等于臨界密度，那么宇宙的未來命運將是：(A)開放宇宙，無限膨脹且最終冷卻至絕對零度(B)封閉宇宙，膨脹至最大尺度后開始收縮，最終坍縮(C)平坦宇宙，以臨界膨脹速率無限膨脹，永遠保持足夠高的溫度和密度(D)依賴暗物質(zhì)和暗能量具體性質(zhì)的不確定性宇宙(E)宇宙會停止膨脹并開始收縮，但不會完全坍縮10.暗能量被提出的主要目的是解釋：(A)宇宙早期核合成中重元素豐度的不足(B)宇宙膨脹速率隨時間的變化趨勢(C)星系內(nèi)部恒星運動速度過快所需額外的引力(D)宇宙微波背景輻射的特定頻率峰值位置(E)星系團之間巨大的空隙二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.大爆炸理論認為，宇宙起源于大約______年前一個極端高溫、高密度的狀態(tài)。2.宇宙微波背景輻射具有接近______的黑體輻射譜特征。3.暴脹理論認為，宇宙在誕生后極短時間（10?3?秒內(nèi)）經(jīng)歷了一個指數(shù)級的急劇膨脹。4.宇宙大尺度結構的形成過程大致遵循“密度擾動→物質(zhì)聚集→結構形成”的順序。5.根據(jù)當前的宇宙學模型，宇宙的總能量密度主要由______、______和暗能量構成。6.哈勃常數(shù)H?表示宇宙當前的______。7.宇宙加速膨脹表明，驅(qū)動這種膨脹的神秘力量可能來自于______。8.宇宙的幾何形狀（開放、平坦、封閉）取決于宇宙的總物質(zhì)能量密度與______的相對關系。9.光子在宇宙早期與等離子體頻繁相互作用的現(xiàn)象稱為______。10.宇宙學中常用的“光年”是衡量______的單位。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述大爆炸理論的主要內(nèi)容和它所依據(jù)的三個關鍵觀測證據(jù)。2.解釋什么是宇宙的“視界問題”，并簡述暴脹理論如何解決這一問題。3.簡要說明宇宙從早期高密度狀態(tài)演化為目前以近真空狀態(tài)為主的過程中的幾個關鍵階段（至少三個）。4.什么是暗物質(zhì)？它主要通過哪些證據(jù)被推測存在？四、論述題（10分）試述宇宙微波背景輻射（CMB）的發(fā)現(xiàn)及其在確認大爆炸理論和揭示早期宇宙性質(zhì)方面的重要性。試卷答案一、選擇題1.D*解析：大爆炸理論的主要觀測證據(jù)包括宇宙膨脹（哈勃定律）、宇宙微波背景輻射、輕元素豐度以及大尺度結構。星系光譜的藍移現(xiàn)象通常與引力紅移或物體遠離有關，并非大爆炸的直接證據(jù)，雖然宇宙膨脹會導致遠處星系的紅移。2.A*解析：宇宙微波背景輻射是早期高溫熾熱宇宙冷卻、電離的等離子體變得透明后，光子自由傳播到今天形成的。這是宇宙從密集、高溫狀態(tài)演化為當前低溫、透明狀態(tài)的自然結果。3.B*解析：暴脹理論能夠很好地解釋宇宙的幾個關鍵特征，其中最主要的是平坦性。根據(jù)標準大爆炸模型，宇宙的平坦度要求密度非常接近臨界值，而暴脹通過指數(shù)級膨脹極大地平坦化了初始的密度擾動和曲率。4.B*解析：大爆炸核合成發(fā)生在宇宙誕生后的最初幾分鐘內(nèi)，當時溫度足夠高（數(shù)百萬開爾文），可以發(fā)生核反應。主要產(chǎn)物是質(zhì)子和中子結合形成的氫（約75%），以及少量的氦-4（約25%）和少量氘、鋰等輕元素。5.D*解析：哈勃定律描述了星系的紅移量（通常用速度v近似表示）與其距離d之間存在線性關系，斜率由哈勃常數(shù)H?決定。它揭示了宇宙作為一個整體正在膨脹。6.D*解析：超新星是某些恒星生命末期的巨大爆炸，其亮度非常穩(wěn)定，可以作為“標準燭光”來測量距離。通過測量遙遠超新星的距離和它們的光度，天文學家發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹速率在過去是減慢的，但在最近幾十億年又開始加速，這表明存在一種驅(qū)動加速膨脹的神秘力量，即暗能量。7.D*解析：在宇宙學中，由于宇宙的膨脹，光子從遙遠物體發(fā)出到達觀測者時，其空間波長會被拉伸，導致多普勒紅移。視界指的是光從宇宙誕生開始一直傳播到觀測者所能到達的最遠距離，它限制了觀測者能夠接收到來自更遙遠區(qū)域信息的極限。8.A*解析：宇宙大尺度結構的形成源于愛因斯坦廣義相對論所描述的引力效應。宇宙早期由于微小的隨機密度擾動（即初始不均勻性），在引力的作用下，物質(zhì)會向擾動較大的區(qū)域聚集，逐漸形成恒星、星系、星系團等我們今天看到的各種結構。9.B*解析：根據(jù)宇宙學判據(jù)，如果宇宙總密度大于臨界密度（封閉宇宙），引力將最終戰(zhàn)勝膨脹，使宇宙停止膨脹并開始收縮，最終可能坍縮回奇點（大擠壓）。10.B*解析：暗能量被提出的核心原因是為了解釋觀測到的宇宙加速膨脹現(xiàn)象?，F(xiàn)有的宇宙學模型（包括重子物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量）可以很好地解釋宇宙的膨脹減速歷史，但要解釋為何從減速轉為加速，就需要引入一種具有負壓強（或排斥性）的能量形式，即暗能量。二、填空題1.138億*解析：基于當前的宇宙學觀測數(shù)據(jù)（如CMB、哈勃常數(shù)等），宇宙的年齡被估算約為138億年。2.黑體*解析：宇宙微波背景輻射的溫度約為2.725K，其黑體輻射譜與理論預測高度吻合，表明其起源于早期熾熱的宇宙。3.暴脹*解析：暴脹理論是解釋早期宇宙特性的關鍵理論，指宇宙在誕生后10?3?秒內(nèi)經(jīng)歷了一段極快速的指數(shù)級膨脹。4.引力不穩(wěn)定性/物質(zhì)聚集/結構形成*解析：宇宙結構的形成過程是：初始微小的密度擾動->在引力作用下，物質(zhì)向擾動中心流動，區(qū)域變得更致密->密度更高的區(qū)域吸引更多物質(zhì)，形成越來越大的結構，最終形成星系、星系團等。5.重子物質(zhì)/暗物質(zhì)*解析：根據(jù)當前的宇宙成分估算，宇宙的總質(zhì)能約73%是暗能量，27%是物質(zhì)，其中約5%是重子物質(zhì)（構成我們能看到的所有普通物質(zhì)），約24%是暗物質(zhì)。6.膨脹速率*解析：哈勃常數(shù)H?描述了宇宙當前每單位距離的膨脹快慢程度，單位通常是(千米/秒)/兆秒差距。7.暗能量*解析：宇宙加速膨脹的觀測證據(jù)指向一種具有排斥性、導致宇宙加速擴張的神秘能量形式，目前被稱為暗能量。8.臨界密度*解析：宇宙的幾何形狀（平坦度）取決于總密度參數(shù)Ω_total（總密度/臨界密度）的值。Ω_total=1為平坦，Ω_total>1為開放，Ω_total<1為封閉。9.光子退耦*解析：當宇宙溫度降至約3000K時，電子和原子核結合形成中性原子。此時，光子不再輕易與物質(zhì)相互作用，可以自由傳播，這一過程稱為光子退耦，也是CMB形成的時期。10.距離*解析：光年是光在真空中傳播一年的距離，是一個長度單位，主要用于衡量天體之間的宇宙尺度距離。三、簡答題1.答：大爆炸理論認為宇宙起源于約138億年前一個密度和溫度無限高的奇點，此后宇宙一直在膨脹和冷卻。主要觀測證據(jù)包括：*宇宙的膨脹（哈勃定律）：觀測到遠處星系普遍存在紅移，且距離越遠，紅移越大，表明宇宙在膨脹。*宇宙微波背景輻射（CMB）：探測到遍布全天的接近黑體譜的微波輻射，是早期高溫宇宙的“余暉”。*宇宙元素豐度：宇宙中輕元素（如氫、氦、鋰）的比例與理論預測的大爆炸核合成結果高度吻合。2.答：視界問題指的是，如果早期宇宙是熱大爆炸模型，那么我們今天應該能看到來自宇宙“邊緣”（視界）的任何光，但由于宇宙年齡有限，來自視界之外區(qū)域的光子尚未有足夠時間傳播到我們這里。暴脹理論通過提出宇宙在極早期經(jīng)歷了一段極快速的指數(shù)級膨脹，極大地拉伸了空間的尺度，使得原本處于視界內(nèi)的區(qū)域（因為膨脹而靠近）變得足夠“大”，其發(fā)出的光才有足夠時間傳播到我們今天所在的視界，從而解決了視界問題。3.答：宇宙演化關鍵階段包括：*大爆炸后瞬間（普朗克時期、Planckera）：宇宙處于極端高密高溫狀態(tài)，物理定律可能需要超越現(xiàn)有框架來描述。*大爆炸后10?3?秒至1分鐘：暴脹時期（若有），宇宙快速膨脹并變得平坦；隨后進入核合成時期，質(zhì)子和中子結合形成氫、氦等輕元素。*大爆炸后幾分鐘至幾十萬年：光子退耦時期，宇宙冷卻，形成中性原子，光子可以自由傳播，形成CMB；引力開始主導，微小密度擾動開始增長。*大爆炸后幾十萬年至數(shù)億年：暗物質(zhì)暈形成并聚集，星系和星系團開始在引力作用下形成。*大爆炸后數(shù)十億年至今：恒星和星系形成、演化，觀測到宇宙加速膨脹，暗能量成為主導因素。4.答：暗物質(zhì)是一種不與電磁力相互作用（或作用極弱）的物質(zhì)形式，因此我們無法直接觀測到它，只能通過其引力效應來推斷其存在。主要證據(jù)包括：*星系旋轉曲線：觀測發(fā)現(xiàn)，星系外圍恒星的旋轉速度遠超僅由可見物質(zhì)（恒星、氣體）提供的引力所能束縛的速度，暗示存在大量看不見的暗物質(zhì)提供額外引力。*星系團引力透鏡效應：星系團中心質(zhì)量極大，其引力場可以彎曲經(jīng)過的遙遠光源的光線，形成放大的圖像。星系團的總質(zhì)量遠超其可見物質(zhì)的總和，暗物質(zhì)是解釋透鏡效應的主要部分。*宇宙大尺度結構的形成：計算機模擬表明，只有包含大量暗物質(zhì)，引力才能有效地將物質(zhì)聚集形成我們觀測到的星系團和超星系團網(wǎng)絡。*大爆炸核合成：對輕元素豐度的精確測量也間接支持了暗物質(zhì)的存在模型。四、論述題答：宇宙微波背景輻射（CMB）是宇宙學中最重要、最直接的觀測證據(jù)之一。它的發(fā)現(xiàn)始于1964年，由阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在探測衛(wèi)星天線時意外接收到的來自全天各方向的微弱微波噪聲。經(jīng)過后續(xù)精確測量（如COBE、WMAP、Planck衛(wèi)星），CMB被確認為是大爆炸后約38萬年，當宇宙溫度降至約3000K時，光子從早期稠密的等離子體中“解脫”出來，開始自由傳播形成的。其重要性體現(xiàn)在以下幾個方面：*確認大爆炸理論：CMB的存在是熱大爆炸理論的強有力證據(jù)，它完美地對應了早期熾熱、均勻、充滿光子的宇宙模型的預言。*揭示早期宇宙性質(zhì)：CMB極其接近完美的黑體