2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——星系的形成與大尺度結構考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.冷暗物質模型中，冷暗物質的主要特征是：A.發(fā)光B.吸收光C.不與電磁力相互作用D.具有很高的溫度2.下列哪種星系類型通常被認為是由氣體和塵埃組成的，且具有明顯的旋臂結構？A.橢圓星系B.旋渦星系C.不規(guī)則星系D.球狀星團3.活動星系核（AGN）的能量主要來源于：A.恒星內部核聚變B.星系際介質的碰撞C.黑洞的吸積D.超新星爆發(fā)4.星系的光度函數描述的是：A.星系在不同星等上的數量B.星系在不同顏色上的數量C.星系在不同距離上的數量D.星系在不同大小上的數量5.下列哪個觀測證據支持了星系形成和演化的理論？A.星系的光度函數B.星系的顏色-星等圖C.星系的空間分布D.以上都是6.星系團對其中成員星系的主要影響是：A.促進恒星形成B.導致星系合并C.削弱星系磁場D.提供豐富的星系際氣體7.宇宙大尺度結構的主要組成成分是：A.恒星B.行星C.星系D.星系團8.星系際介質（IGM）在宇宙早期的主要狀態(tài)是：A.高溫、低密度等離子體B.低溫、高密度氣體C.密度極低的真空D.以暗物質為主的介質9.根據觀測，宇宙大尺度結構呈現出明顯的：A.各向同性B.各向異性C.球對稱D.雙軸對稱10.下列哪個現象被認為是星系合并的結果？A.星系核的形成B.星系盤的形成C.星系旋臂的形成D.星系不規(guī)則形態(tài)的形成二、填空題（每空1分，共15分）1.冷暗物質模型認為，宇宙中大部分物質是以________形式存在的。2.旋渦星系的旋臂通常被認為是________區(qū)域，那里正在進行活躍的恒星形成。3.活動星系核的中心通常是________，它吞噬著周圍的物質并釋放出巨大的能量。4.星系的光度函數描述了單位體積內不同星等星系的數量，其表達式通常為________。5.星系團是宇宙中最大的等級結構，通常包含________個星系，并受到強烈的________作用。6.星系際介質（IGM）是填充在星系之間的稀薄氣體，其主要成分是________和________。7.宇宙大尺度結構的形成是由于宇宙早期微小的________在引力作用下不斷增長而形成的。三、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述冷暗物質模型的主要內容及其在星系形成中的作用。2.比較旋渦星系和橢圓星系的主要區(qū)別。3.解釋什么是星系合并，并說明其對星系演化的影響。4.描述星系際介質（IGM）的主要性質及其在宇宙演化中的作用。5.簡述宇宙大尺度結構的形成過程及其觀測證據。四、計算題（10分）已知一個星系的光度函數為phi(L)=1.2x10^-3L^-2.3，其中L為星系光度（以太陽光度為單位）。請計算在距離我們10兆光年的空間體積內，光度大于10^9太陽光度的星系數量。五、論述題（30分）論述星系形成與大尺度結構研究對理解宇宙演化的重要意義，并舉例說明目前存在的挑戰(zhàn)和未來的研究方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.A5.D6.B7.D8.A9.B10.D二、填空題1.暗物質2.星云3.黑洞4.phi(M)dM5.數百；引力6.氫；氦7.不平坦性三、簡答題1.冷暗物質模型的主要內容及其在星系形成中的作用：*主要內容：冷暗物質模型認為宇宙中存在大量的暗物質，這些暗物質不與電磁力相互作用，因此難以直接觀測，但可以通過其引力效應探測到。模型認為這些冷暗物質以暗物質暈的形式存在于星系周圍，并在引力作用下首先形成星系團，然后是星系。*作用：冷暗物質提供了星系形成的引力骨架，其引力勢阱吸引了正常的重子物質（包括氣體和塵埃），促使恒星形成和星系結構的形成。2.比較旋渦星系和橢圓星系的主要區(qū)別：*旋渦星系：通常具有明顯的盤狀結構，盤內氣體和塵埃分布不均勻，形成旋臂，恒星形成活躍，通常呈現藍色調，中心有一個致密的核心（核球）。*橢圓星系：形狀呈橢圓形，沒有明顯的盤狀結構，恒星分布相對均勻，恒星形成活動較弱，通常呈現紅色調，中心有一個致密的核球。3.解釋什么是星系合并，并說明其對星系演化的影響：*定義：星系合并是指兩個或多個星系在引力作用下相互靠近并最終合并成一個更大的星系的過程。*影響：星系合并可以觸發(fā)劇烈的恒星形成活動（星暴），改變星系的結構，例如形成棒狀結構，并可能導致中心形成超大質量黑洞。多次合并可以導致星系演化為橢圓星系。4.描述星系際介質（IGM）的主要性質及其在宇宙演化中的作用：*主要性質：IGM是填充在星系之間的稀薄氣體，溫度很高（可達數百萬開爾文），密度極低（約每立方厘米一個原子），主要成分是氫和氦，還含有少量重元素和金屬。*作用：IGM在宇宙早期起到了重要作用，是恒星和星系形成的原材料。隨著宇宙膨脹，IGM逐漸冷卻，并形成了星系和星系團。星系的活動（如supernova爆發(fā)）也會加熱和擾動IGM。5.簡述宇宙大尺度結構的形成過程及其觀測證據：*形成過程：宇宙早期存在微小的密度fluctuations，在引力的作用下，這些fluctuations逐漸增長，形成了由星系、星系團和超星系團組成的大尺度結構。這個過程被稱為引力不穩(wěn)定性。*觀測證據：宇宙微波背景輻射（CMB）中的溫度fluctuations是宇宙早期密度fluctuations的直接證據。星系和星系團的分布也呈現出明顯的成團性，形成了巨大的纖維狀結構。四、計算題解答：1.光度函數phi(L)=1.2x10^-3L^-2.3(L以太陽光度為單位)2.需要計算光度大于10^9太陽光度的星系數量，即在L>10^9時的星系數量。3.首先，需要計算在L=10^9時的光度函數值：phi(10^9)=1.2x10^-3(10^9)^-2.3=1.2x10^-3x10^-20.7=1.2x10^-23(星系/太陽光度/立方光年)4.然后，需要計算在10兆光年（10^7光年）半徑的球體體積內，光度大于10^9太陽光度的星系數量：體積V=(4/3)πr^3=(4/3)π(10^7)^3立方光年5.星系數量N=phi(10^9)xV=(1.2x10^-23)x(4/3)π(10^7)^36.計算N：N≈1.2x10^-23x4πx10^21N≈1.2x4πx10^-2N≈15.08N≈15因此，在距離我們10兆光年的空間體積內，光度大于10^9太陽光度的星系數量約為15個。五、論述題星系形成與大尺度結構的研究對理解宇宙演化具有至關重要的意義。首先，它揭示了宇宙中物質的基本組成和分布，幫助我們了解宇宙的起源和演化歷史。通過觀測星系和星系團的分布，我們可以推斷出暗物質的存在，并研究其性質和作用。其次，星系形成與大尺度結構的研究有助于我們理解恒星和星系的演化過程，以及它們與周圍環(huán)境的相互作用。例如，星系合并可以觸發(fā)劇烈的恒星形成活動，改變星系的結構，并可能導致中心形成超大質量黑洞。這些過程對星系和星系團的演化起著至關重要的作用。最后，星系形成與大尺度結構的研究也為檢驗物理學的fundamental理