2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——暗能量與宇宙加速膨脹考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.以下哪項(xiàng)觀測(cè)證據(jù)是目前認(rèn)為支持宇宙加速膨脹的最主要依據(jù)？A.宇宙微波背景輻射的各向異性B.恒星演化理論預(yù)測(cè)C.超新星Ia型變星的光度測(cè)光數(shù)據(jù)D.星系團(tuán)質(zhì)量分布的觀測(cè)2.在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM）中，代表暗能量的項(xiàng)通常用哪個(gè)符號(hào)表示？A.ρ_mB.ρ_rC.ρ_de或ΛD.ρ_b3.導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量特性，通常用哪個(gè)參數(shù)來描述？A.哈勃常數(shù)H_0B.視寧度距離d_LC.慣性質(zhì)量mD.振動(dòng)模態(tài)標(biāo)度因子w4.超新星Ia型變星常被用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”測(cè)量宇宙距離，其主要優(yōu)勢(shì)在于其光度值具有很高的？A.波動(dòng)性B.不確定度C.統(tǒng)一性（對(duì)于相同視星等）D.衰減率5.宇宙微波背景輻射（CMB）的角功率譜峰值位置與宇宙的哪些參數(shù)密切相關(guān)？A.宇宙年齡和物質(zhì)密度B.哈勃常數(shù)和暗能量密度C.光速和普朗克常數(shù)D.引力常數(shù)和光行距離6.如果宇宙中僅存在物質(zhì)（不包括暗能量和輻射），其膨脹將最終如何？A.加速膨脹B.減速膨脹直至停止然后收縮C.以恒定速率膨脹D.靜態(tài)不變7.引力透鏡效應(yīng)是由于什么原因?qū)е碌?？A.星系際介質(zhì)對(duì)光的吸收B.星系團(tuán)內(nèi)部暗物質(zhì)分布不均引起的光線路徑彎曲C.宇宙塵埃對(duì)光的散射D.超新星爆發(fā)產(chǎn)生的沖擊波8.ΛCDM模型中，參數(shù)w代表暗能量的哪種性質(zhì)？A.密度占比B.壓強(qiáng)與能量的比值C.能量密度隨時(shí)間的變化率D.與暗能量相關(guān)的引力常數(shù)9.所謂的“標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)尺”方法，主要是利用什么現(xiàn)象來測(cè)量宇宙距離？A.光的色散B.引力透鏡導(dǎo)致的圖像扭曲C.宇宙膨脹導(dǎo)致的視線紅移與距離的關(guān)系D.超新星爆發(fā)的閃光持續(xù)時(shí)間10.暗能量的存在對(duì)宇宙的最終命運(yùn)有何重要影響？A.不會(huì)影響，宇宙將緩慢減速直至停止B.可能導(dǎo)致宇宙進(jìn)入永久的減速膨脹狀態(tài)C.可能引發(fā)“大撕裂”或“大坍縮”D.將使宇宙快速收縮，最終坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)二、填空題（請(qǐng)將答案填在橫線上。每空2分，共20分）1.宇宙加速膨脹是指宇宙的膨脹速率隨時(shí)間________，或者說宇宙空間的________在增加。2.超新星Ia型變星由于其形成的物理機(jī)制相似，在爆炸時(shí)具有相對(duì)________的絕對(duì)星等，因此可作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。3.宇宙微波背景輻射是宇宙早期（約38萬年前）熾熱等離子體冷卻后發(fā)出的殘余輻射，其溫度約為________K。4.標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM）中，宇宙的總能量密度近似等于臨界能量密度的條件是________。5.暗能量的能量密度隨宇宙膨脹是________（選填“增加”、“減少”或“保持不變”）。三、名詞解釋（請(qǐng)給出下列名詞的準(zhǔn)確定義或解釋。每小題4分，共16分）1.視寧度距離(NumeratorDistance)2.光行距離(ProperDistance)3.宇宙方程(CosmologicalEquation)4.角功率譜(AngularPowerSpectrum)四、簡答題（請(qǐng)簡要回答下列問題。每小題6分，共24分）1.簡述利用超新星Ia型變星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”測(cè)量宇宙距離的基本原理。2.簡述宇宙微波背景輻射的偏振信息可能包含哪些關(guān)于早期宇宙和暗能量的重要物理信息。3.標(biāo)準(zhǔn)的ΛCDM模型是如何解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象的？其中暗能量（Λ或ρ_de）扮演了什么角色？4.列舉至少三種宇宙加速膨脹的主要觀測(cè)證據(jù)，并簡要說明每種證據(jù)所提供的信息。五、論述題（請(qǐng)就下列問題進(jìn)行較為深入的論述。共20分）結(jié)合觀測(cè)事實(shí)和理論模型，討論暗能量的基本性質(zhì)、可能存在的物理機(jī)制，以及當(dāng)前暗能量研究面臨的主要挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.C5.A6.B7.B8.B9.C10.A二、填空題1.增加/體積膨脹率2.固定/絕對(duì)3.2.74.ρ_m+ρ_de=ρ_c(或者ρ_m/ρ_c+ρ_de/ρ_c=1)5.增加三、名詞解釋1.視寧度距離：指光源到觀察者之間光在“現(xiàn)在”傳播的實(shí)際空間距離。由于宇宙膨脹，光線從光源發(fā)出到達(dá)觀察者經(jīng)歷了時(shí)間，光源在此期間已移動(dòng)，因此視寧度距離通常小于光行距離。2.光行距離：指光線在宇宙早期從光源發(fā)出到達(dá)觀察者時(shí)，光源與觀察者之間的空間距離。它考慮了宇宙膨脹在整個(gè)光傳播過程中的影響。3.宇宙方程：描述宇宙動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的基本方程，通常寫作H2=8πG/3*(ρ_m+ρ_r+ρ_Λ)，其中H是哈勃參數(shù)，G是引力常數(shù)，ρ_m是物質(zhì)密度，ρ_r是輻射密度，ρ_Λ是與暗能量相關(guān)的項(xiàng)（或Λ代表宇宙常數(shù)）。該方程反映了宇宙的總能量密度、曲率以及膨脹速率之間的關(guān)系。4.角功率譜：對(duì)宇宙微波背景輻射（CMB）在天空不同角度上的溫度漲落進(jìn)行功率譜分析得到的結(jié)果。它展示了溫度漲落強(qiáng)度隨角度尺度（角距離）變化的規(guī)律。角功率譜的不同峰值位置和高度包含了關(guān)于宇宙早期物理性質(zhì)（如物質(zhì)密度、輻射密度、哈勃參數(shù)、宇宙年齡等）以及暗能量和修正引力的信息。四、簡答題1.超新星Ia型變星由于其形成的物理機(jī)制（白矮星吸積物質(zhì)達(dá)到錢德拉塞卡極限）高度相似，其爆炸時(shí)的絕對(duì)星等（亮度）在理論上具有很高的統(tǒng)一性。通過測(cè)量超新星的光度（亮度）和視星等（觀測(cè)到的亮度），可以利用光度距離公式（L=4πd_L2*(m-M)）反推出超新星到地球的距離d_L。通過測(cè)量不同距離處超新星的視向速度（由紅移量z推知），可以繪制出哈勃圖（距離-紅移關(guān)系）。如果該關(guān)系呈現(xiàn)線性且斜率接近哈勃常數(shù)H_0，則證實(shí)了宇宙的加速膨脹或至少是減速膨脹的觀測(cè)結(jié)果，從而為加速膨脹提供了證據(jù)。2.CMB的偏振包含兩種類型：E模偏振和B模偏振。E模偏振主要源于早期宇宙的等離子體不均勻性對(duì)CMB光波的擾動(dòng)。B模偏振則具有“球諧函數(shù)的旋量形式”，其存在是宇宙存在原始引力波背景的直接證據(jù)，也是許多宇宙學(xué)模型（如原初引力）預(yù)測(cè)的重要結(jié)果。B模偏振的探測(cè)對(duì)于區(qū)分暗能量的性質(zhì)（如是否具有負(fù)壓強(qiáng)）至關(guān)重要，因?yàn)椴煌陌的芰磕Ｐ涂赡軐?dǎo)致宇宙的聲速結(jié)構(gòu)（與B模偏振相關(guān)）有所不同。此外，CMB偏振還可能攜帶關(guān)于早期宇宙中極性分子形成的線索。因此，精確測(cè)量CMB偏振，特別是尋找微弱的B模信號(hào)，對(duì)于理解暗能量的本質(zhì)和早期宇宙物理至關(guān)重要。3.標(biāo)準(zhǔn)的ΛCDM模型解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象的關(guān)鍵在于引入了具有負(fù)壓強(qiáng)的暗能量。該模型認(rèn)為宇宙的總能量密度由物質(zhì)密度（包括普通物質(zhì)和冷暗物質(zhì)）和暗能量密度構(gòu)成。當(dāng)暗能量密度占主導(dǎo)地位時(shí)（如目前），其負(fù)壓強(qiáng)會(huì)對(duì)抗物質(zhì)間的引力，導(dǎo)致宇宙空間的膨脹加速。在ΛCDM模型中，暗能量通常被建模為一種常數(shù)項(xiàng)能量密度（Λ，即宇宙常數(shù)），其對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為負(fù)無窮大，始終提供斥力。另一種形式是動(dòng)態(tài)暗能量模型，其能量密度或壓強(qiáng)隨時(shí)間變化（例如具有負(fù)壓強(qiáng)但能量密度減小的標(biāo)量場），也能解釋加速膨脹。無論哪種形式，負(fù)壓強(qiáng)是驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的核心機(jī)制。4.1.超新星Ia型變星的光度測(cè)光：通過測(cè)量不同距離超新星的光度（亮度）和視星等，繪制哈勃圖。如果哈勃圖呈現(xiàn)線性且斜率（即哈勃常數(shù)H_0）不隨距離變化或表明膨脹在加速，則支持宇宙加速膨脹。這是目前最直接的證據(jù)。2.宇宙微波背景輻射（CMB）的各向異性：CMB的角功率譜峰值位置對(duì)宇宙的幾何形狀、物質(zhì)密度和哈勃參數(shù)等高度敏感。最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)（如Planck衛(wèi)星結(jié)果）顯示，CMB峰值位置與標(biāo)準(zhǔn)ΛCDM模型的預(yù)測(cè)高度吻合，并且暗示宇宙是平坦的，物質(zhì)密度接近臨界密度，同時(shí)存在顯著的暗能量密度。這表明宇宙在早期經(jīng)歷了減速膨脹，但在近期轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀倥蛎洝?.大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)：宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化受到引力（物質(zhì)）和斥力（暗能量）的共同影響。通過觀測(cè)星系團(tuán)、超星系團(tuán)的空間分布、團(tuán)簇的X射線發(fā)射（提供總質(zhì)能密度）以及引力透鏡效應(yīng)，可以推斷宇宙的膨脹歷史和物質(zhì)能量組成。這些觀測(cè)結(jié)果與需要暗能量來解釋的ΛCDM模型相符。五、論述題暗能量是現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心謎團(tuán)之一，其基本性質(zhì)和物理機(jī)制仍是科學(xué)前沿研究的重點(diǎn)。從觀測(cè)上看，暗能量表現(xiàn)為一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的、具有負(fù)壓強(qiáng)的能量形式。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型通過引入常數(shù)項(xiàng)暗能量（Λ，即宇宙常數(shù)）或動(dòng)態(tài)暗能量場（其壓強(qiáng)或能量密度隨時(shí)間變化），成功解釋了當(dāng)前的觀測(cè)結(jié)果（如超新星、CMB、大尺度結(jié)構(gòu)）。暗能量的關(guān)鍵性質(zhì)是其負(fù)壓強(qiáng)，這使得它在局部區(qū)域產(chǎn)生與引力相反的斥力，驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹。暗能量的能量密度似乎自宇宙大爆炸以來保持相對(duì)恒定（如果是Λ）或以特定方式變化（如果是動(dòng)態(tài)模型），使其在宇宙中占比不斷增加。關(guān)于暗能量的物理機(jī)制，目前尚無定論。主要的理論方向包括：1.quintessence模型：提出一種隨時(shí)間演化的標(biāo)量場作為暗能量的載體，其動(dòng)力學(xué)行為由標(biāo)量場的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，可以解釋暗能量密度隨時(shí)間的變化。2.修正引力量子（ModifiedGravity,MG）：修改廣義相對(duì)論的基本形式，以解釋暗能量的效應(yīng)，而不需要引入額外的能量成分。例如，將引力勢(shì)能項(xiàng)加入愛因斯坦場方程，或者假設(shè)存在第五種力。這類模型試圖從更深層次的物理理論（如量子引力）出發(fā)。3.宇宙學(xué)常數(shù)：認(rèn)為暗能量就是真空能密度（Λ），其來源可能涉及量子場論真空能的量子修正（如霍金輻射）或宇宙學(xué)原理中的未知項(xiàng)。但目前的理論預(yù)測(cè)真空能密度遠(yuǎn)大于觀測(cè)值，存在“暴脹”問題。當(dāng)前暗能量研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1.測(cè)量精度：當(dāng)前對(duì)暗能量的測(cè)量（特別是w參數(shù)，即暗能量壓強(qiáng)與其能量密度的比值）仍有不確定性，需要更高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)來區(qū)分不同模型。2.理論模型：缺乏一個(gè)被廣泛接受的、能夠自洽地解釋暗能量所有觀測(cè)特征（如其存在、性質(zhì)和演化）的理論框架。3.基本性質(zhì)：暗能量是否具有質(zhì)量？其相互作用如何（與普通物質(zhì)、輻射、引力的耦合）？這些都尚不清楚。4.早期宇宙信號(hào)：期待從CMB偏振、B模信號(hào)等早期宇宙觀測(cè)中尋找關(guān)于暗能量或修正引力的直接證據(jù)，但探測(cè)難度極大。未來的發(fā)展方向?qū)⒓杏冢?.多信使天文學(xué)：