2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫(kù)——星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞的形成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.以下哪一項(xiàng)不是星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞（SMBH）的主要觀測(cè)證據(jù)來(lái)源？A.活動(dòng)星系核（AGN）的強(qiáng)大電波輻射B.星系團(tuán)中心區(qū)域X射線發(fā)射的致密源C.星系團(tuán)尺度結(jié)構(gòu)的引力透鏡效應(yīng)D.對(duì)星系團(tuán)中心附近恒星的直接視向速度測(cè)量2.直接Collapse黑洞（DCBH）形成理論最關(guān)鍵的假設(shè)之一是早期宇宙的某個(gè)區(qū)域具有異常高的氣體密度和金屬豐度，這主要是為了解釋：A.SMBH質(zhì)量為何遠(yuǎn)超其宿主星系的總質(zhì)量B.SMBH為何能在星系團(tuán)形成早期就達(dá)到如此大的質(zhì)量C.SMBH吸積效率為何如此之高D.SMBH為何能抵抗早期星系團(tuán)環(huán)境的反饋?zhàn)饔?.在星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞的種子黑洞增長(zhǎng)模型中，哪種機(jī)制被認(rèn)為在黑洞質(zhì)量增長(zhǎng)到星系團(tuán)中心規(guī)模的過(guò)程中起到了關(guān)鍵的限制作用？A.恒星級(jí)質(zhì)量損失B.星系際氣體的粘性剪切C.吸積盤內(nèi)部的輻射壓力（反饋）D.并合過(guò)程中引力波輻射的能量損失4.M-sigma關(guān)系描述了星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量與其宿主星系團(tuán)某個(gè)物理量之間的關(guān)系，這個(gè)物理量通常是：A.星系團(tuán)的總光度B.星系團(tuán)中心的最大星系速度dispersion(sigma)C.星系團(tuán)的總星系數(shù)量D.星系團(tuán)中心X射線氣體的溫度5.以下哪種觀測(cè)結(jié)果最能支持協(xié)同演化模型（Co-evolutionModel）關(guān)于SMBH與星系團(tuán)共同演化的觀點(diǎn)？A.發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量遠(yuǎn)超預(yù)測(cè)的早期宇宙超大質(zhì)量黑洞B.觀測(cè)到星系團(tuán)中心黑洞的吸積率與其宿主星系的星系形成率密切相關(guān)C.模擬顯示單獨(dú)的種子黑洞增長(zhǎng)難以解釋觀測(cè)到的黑洞質(zhì)量分布D.觀測(cè)到強(qiáng)烈的星系團(tuán)中心無(wú)線電噴流活動(dòng)6.射電望遠(yuǎn)鏡在研究星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成過(guò)程中，主要關(guān)注的現(xiàn)象是：A.吸積盤發(fā)出的同步輻射光B.潮汐撕裂低質(zhì)量星體產(chǎn)生的引力波C.黑洞并合產(chǎn)生的引力輻射D.星系團(tuán)中心熱氣體的X射線發(fā)射7.哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在研究星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成方面各自的主要優(yōu)勢(shì)在于：A.哈勃：更高空間分辨率，探測(cè)近鄰星系團(tuán)；韋伯：更強(qiáng)紫外探測(cè)能力，觀測(cè)早期宇宙B.哈勃：更強(qiáng)X射線探測(cè)能力，韋伯：更高紅外分辨率C.哈勃：主要用于觀測(cè)黑洞吸積盤，韋伯：主要用于觀測(cè)種子黑洞形成的早期環(huán)境D.哈勃：探測(cè)黑洞并合的引力波信號(hào)，韋伯：探測(cè)黑洞周圍的原初分子云8.所謂的“反饋機(jī)制”（Feedback）在星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成和演化中扮演的角色主要是：A.為黑洞提供持續(xù)的物質(zhì)供應(yīng)B.制約黑洞的質(zhì)量增長(zhǎng)，防止其過(guò)度吸積C.促進(jìn)星系團(tuán)中心星系的形成D.加速星系團(tuán)的引力坍縮9.與傳統(tǒng)的恒星級(jí)黑洞形成理論相比，直接Collapse模型最顯著的特點(diǎn)是：A.認(rèn)為黑洞種子需要通過(guò)多次并合才能增長(zhǎng)B.假設(shè)黑洞直接從非恒星物質(zhì)（如分子云）中坍縮形成，可能經(jīng)歷極短或沒有恒星級(jí)階段C.強(qiáng)調(diào)了吸積盤輻射對(duì)黑洞增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)D.將黑洞形成與星系團(tuán)中心超大質(zhì)量星系的觀測(cè)直接關(guān)聯(lián)10.利用空間探測(cè)器觀測(cè)皮米波背景輻射的主要目的是：A.直接探測(cè)星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的存在B.尋找早期宇宙超大質(zhì)量黑洞形成過(guò)程中的引力波印記或原初黑洞種子C.測(cè)量星系團(tuán)內(nèi)部暗物質(zhì)的分布D.探測(cè)黑洞吸積盤發(fā)出的高能伽馬射線二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量通常與其宿主星系團(tuán)中心區(qū)域的最大星系速度dispersion(sigma)成正比關(guān)系，這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系被稱為________關(guān)系。2.活動(dòng)星系核（AGN）是處于活躍吸積狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞，其能量輸出主要來(lái)源于黑洞周圍高溫吸積盤發(fā)出的________輻射。3.直接Collapse黑洞形成模型認(rèn)為，早期宇宙需要存在密度和金屬豐度遠(yuǎn)高于平均值的________才能直接坍縮形成超大質(zhì)量黑洞種子。4.在種子黑洞增長(zhǎng)模型中，黑洞通過(guò)吸積其宿主星系或星系團(tuán)中的氣體來(lái)增加質(zhì)量，而吸積盤中的高能粒子或輻射對(duì)星系演化和星系團(tuán)環(huán)境的擾動(dòng)被稱為________。5.為了探測(cè)早期宇宙（z>6-10）超大質(zhì)量黑洞的形成證據(jù)，科學(xué)家們需要利用能夠觀測(cè)到宇宙遠(yuǎn)紫外和近紅外波段的光譜信息，而詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在________波段具有卓越的能力。6.星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的形成是一個(gè)涉及________演化、星系形成、星系際介質(zhì)動(dòng)力學(xué)以及引力相互作用等多個(gè)物理過(guò)程的復(fù)雜過(guò)程。7.潮汐撕裂（TidalDisruptionEvent,TDE）是指一個(gè)不夠致密的天體（如恒星）過(guò)于接近超大質(zhì)量黑洞時(shí)，被黑洞的________所瓦解，并向黑洞傾瀉物質(zhì)。8.除了直接觀測(cè)黑洞本身，天文學(xué)家也通過(guò)觀測(cè)星系團(tuán)中心的________發(fā)射（如X射線、射電）來(lái)推斷其中是否存在超大質(zhì)量黑洞及其活動(dòng)狀態(tài)。9.理論研究表明，星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量增長(zhǎng)速率不僅取決于吸積效率，還受到________的限制，即黑洞無(wú)法無(wú)限期地快速增長(zhǎng)。10.協(xié)同演化模型強(qiáng)調(diào)，超大質(zhì)量黑洞與其宿主星系團(tuán)之間存在________的相互影響，它們共同決定了彼此的形態(tài)、演化和命運(yùn)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述直接Collapse黑洞（DCBH）形成模型的主要假設(shè)及其面臨的觀測(cè)挑戰(zhàn)。2.描述星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞通過(guò)吸積和并合兩種主要途徑增長(zhǎng)質(zhì)量的機(jī)制。3.解釋什么是“反饋機(jī)制”，并簡(jiǎn)述其在星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成和演化中的作用。4.列舉至少三種空間望遠(yuǎn)鏡（或探測(cè)器），并說(shuō)明它們?cè)谘芯啃窍祱F(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成方面各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。四、論述題（10分）結(jié)合星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞形成的兩種主要理論模型（直接Collapse和種子增長(zhǎng)），討論觀測(cè)天體物理數(shù)據(jù)（如黑洞質(zhì)量、星系團(tuán)環(huán)境、早期宇宙觀測(cè)等）如何為理解黑洞形成過(guò)程提供證據(jù)，并分析當(dāng)前研究面臨的主要挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向。試卷答案一、選擇題1.D*解析：選項(xiàng)A、B、C都是研究星系團(tuán)中心SMBH常用的觀測(cè)手段或其結(jié)果。選項(xiàng)D，通過(guò)視向速度測(cè)量恒星，通常用于估算較近星系或本星系群內(nèi)恒星的距離和運(yùn)動(dòng)，難以直接用于探測(cè)星系團(tuán)中心致密的黑洞。2.B*解析：DCBH模型的關(guān)鍵在于解釋為何在星系團(tuán)形成的早期（z>6-10），黑洞就能達(dá)到接近最終質(zhì)量的狀態(tài)。這需要假設(shè)當(dāng)時(shí)存在密度和金屬豐度異常高的區(qū)域，能夠直接形成超大質(zhì)量黑洞，避免了漫長(zhǎng)的增長(zhǎng)過(guò)程。3.C*解析：吸積盤內(nèi)部強(qiáng)烈的輻射壓力（以及相關(guān)的帶電粒子流）會(huì)向外推擠物質(zhì)，限制物質(zhì)向黑洞的持續(xù)流入，從而限制黑洞的質(zhì)量增長(zhǎng)速率。這是種子黑洞增長(zhǎng)模型中的一個(gè)關(guān)鍵物理機(jī)制。4.B*解析：M-sigma關(guān)系是星系天文學(xué)中的一個(gè)重要經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，它指出星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量（M）與其宿主星系團(tuán)中心區(qū)域的最大星系速度分散度（sigma）之間存在近似的正比關(guān)系。這個(gè)關(guān)系是理解黑洞與星系團(tuán)共同演化的重要線索。5.B*解析：協(xié)同演化模型的核心思想是黑洞的成長(zhǎng)和其宿主星系的演化相互影響、共同進(jìn)行。觀測(cè)到黑洞的吸積率或活動(dòng)狀態(tài)與其宿主星系的星系形成速率、星系形態(tài)等密切相關(guān)，最能體現(xiàn)這種相互作用的觀點(diǎn)。6.A*解析：同步輻射是指高能電子在平行于磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的電磁輻射。星系團(tuán)中心或活動(dòng)星系核的噴流主要由高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生，因此射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)探測(cè)這些同步輻射信號(hào)來(lái)研究黑洞的活動(dòng)。7.A*解析：哈勃望遠(yuǎn)鏡以其高空間分辨率著稱，適合觀測(cè)近距離星系團(tuán)中黑洞吸積盤細(xì)節(jié)或中心區(qū)域；韋伯望遠(yuǎn)鏡則擁有強(qiáng)大的紅外探測(cè)能力，能夠穿透早期宇宙的塵埃和氣體，觀測(cè)到更早期（z>6）的宇宙，尋找超大質(zhì)量黑洞形成的早期跡象。8.B*解析：反饋機(jī)制的主要作用是抑制黑洞的過(guò)度增長(zhǎng)。黑洞吸積物質(zhì)釋放的能量（通過(guò)輻射和噴流）加熱周圍環(huán)境，可以驅(qū)散氣體，阻止氣體繼續(xù)落入黑洞，從而限制黑洞的質(zhì)量。9.B*解析：DCBH模型最核心的特點(diǎn)是假設(shè)黑洞直接從大質(zhì)量分子云或星云中坍縮形成，繞過(guò)了形成恒星級(jí)黑洞并最終增長(zhǎng)的過(guò)程，認(rèn)為其形成過(guò)程可能非常迅速。10.B*解析：皮米波背景輻射是宇宙誕生初期留下的最后“余暉”，探測(cè)它有助于揭示早期宇宙的物理性質(zhì)。超大質(zhì)量黑洞的形成過(guò)程可能伴隨著強(qiáng)烈的引力波發(fā)射（并合階段）或產(chǎn)生原初黑洞種子，這些都可能對(duì)皮米波背景產(chǎn)生微弱的印記。二、填空題1.M-sigma*解析：這是描述星系團(tuán)中心超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量與其宿主星系團(tuán)中心星系速度分散度之間關(guān)系的著名經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。2.多色（或高能）*解析：AGN的能量輸出非常強(qiáng)大，其輻射覆蓋很寬的波段，但主要集中在紫外、X射線甚至更高能量（伽馬射線）范圍，其中吸積盤是主要的能量來(lái)源。3.原初分子云（或高密度/高金屬豐度區(qū)域）*解析：DCBH模型需要假設(shè)早期宇宙中存在密度和金屬豐度遠(yuǎn)超平均背景值的區(qū)域，才能滿足直接坍縮形成超大質(zhì)量黑洞的條件。4.反饋（機(jī)制）*解析：指黑洞吸積盤或噴流等活動(dòng)過(guò)程對(duì)周圍星系或星系團(tuán)環(huán)境（如氣體溫度、密度、星系形成速率）產(chǎn)生的物理擾動(dòng)效應(yīng)。5.近紅外（或紅外）*解析：早期宇宙的紅外波段（特別是近紅外）能夠穿透由形成中的星系和早期黑洞活動(dòng)產(chǎn)生的塵埃遮蔽，韋伯望遠(yuǎn)鏡在此波段能力突出，是研究早期黑洞形成的關(guān)鍵。6.宇宙（或大尺度結(jié)構(gòu)）*解析：SMBH的形成與宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化緊密相連，涉及暗物質(zhì)暈的形成、星系形成、星系際介質(zhì)的相互作用等。7.潮汐力（或潮汐場(chǎng)）*解析：TDE的發(fā)生是由于天體進(jìn)入黑洞的潮汐作用范圍，受到的向內(nèi)拉力超過(guò)其自身的引力束縛。8.X射線（或射電）*解析：星系團(tuán)中心SMBH可以通過(guò)其高能吸積盤發(fā)出強(qiáng)烈的X射線輻射，有時(shí)也會(huì)有射電噴流，這些都是重要的間接探測(cè)手段。9.環(huán)境限制（或反饋限制）*解析：黑洞的增長(zhǎng)不僅取決于吸積效率，還受到其所在環(huán)境的限制，例如來(lái)自其他星系或星團(tuán)環(huán)境的反饋?zhàn)饔脮?huì)阻止其過(guò)度吸積。10.相互（影響）*解析：協(xié)同演化模型的核心在于強(qiáng)調(diào)黑洞與其宿主星系團(tuán)之間存在著相互影響、相互制約的關(guān)系，它們共同演化。三、簡(jiǎn)答題1.答：直接Collapse模型假設(shè)早期宇宙中存在密度和金屬豐度遠(yuǎn)超平均的“大質(zhì)量星云”，該星云直接坍縮形成超大質(zhì)量黑洞種子，可能不經(jīng)歷或只經(jīng)歷很短的恒星級(jí)階段。觀測(cè)挑戰(zhàn)包括：難以直接觀測(cè)到早期宇宙的此類高密度區(qū)域；需要解釋為何DCBH種子能迅速增長(zhǎng)到如此大質(zhì)量，而傳統(tǒng)恒星形成理論難以支撐；需要尋找早期宇宙超大質(zhì)量黑洞的直接或間接證據(jù)（如早期AGN、高紅移星系核等），但目前觀測(cè)證據(jù)尚不充分。2.答：種子黑洞增長(zhǎng)主要通過(guò)兩種途徑：一是吸積，黑洞通過(guò)其引力從周圍的星系盤、星系際介質(zhì)或星團(tuán)氣體中吸積物質(zhì)，吸積的物質(zhì)在吸積盤內(nèi)加熱、輻射，部分能量用于黑洞質(zhì)量增長(zhǎng)（Shakura-Sunyaev模型描述吸積效率）；二是并合，大量較小的種子黑洞（如恒星級(jí)黑洞、星系核）通過(guò)引力相互作用并合，最終形成一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。3.答：反饋機(jī)制是指超大質(zhì)量黑洞（特別是活動(dòng)黑洞/AGN）通過(guò)吸積盤和噴流等活動(dòng)，向周圍環(huán)境釋放巨大能量（輻射、帶電粒子流、熱氣體）的過(guò)程。這些能量可以加熱、驅(qū)散甚至蒸發(fā)周圍的冷氣體，抑制星系形成，改變星系和星團(tuán)的結(jié)構(gòu)，從而限制黑洞自身的物質(zhì)供應(yīng)和進(jìn)一步增長(zhǎng)。4.答：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡：提供高空間分辨率圖像，用于觀測(cè)近距離星系團(tuán)中心黑洞吸積盤細(xì)節(jié)、活動(dòng)星系核形態(tài)以及中心星系動(dòng)力學(xué)；詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡：擁有強(qiáng)大的紅外探測(cè)能力，可觀測(cè)早期宇宙（z>6）星系和星團(tuán)，尋找超大質(zhì)量黑洞形成的早期跡象，穿透塵埃；錢德拉X射線天文臺(tái)：觀測(cè)高能X射線，探測(cè)星系團(tuán)中心黑洞吸積盤發(fā)射、潮汐撕裂事件以及星團(tuán)內(nèi)暗物質(zhì)分布；事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）：通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量，觀測(cè)黑洞的“陰影”，提供黑洞的直接成像證據(jù)（雖然主要用于近鄰黑洞，但代表了前沿觀測(cè)技術(shù)）。四、論述題答：觀測(cè)數(shù)據(jù)為理解星系團(tuán)超大質(zhì)量黑洞形成提供了關(guān)鍵線索。首先，M-sigma關(guān)系揭示了黑洞質(zhì)量與星系團(tuán)整體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系，暗示黑洞與星系團(tuán)可能共同演化，支持了種子增長(zhǎng)和協(xié)同演化模型。其次，觀測(cè)到的高紅移（z>6）活動(dòng)星系核或潛在超大質(zhì)量黑洞，為直接Collapse模型提供了間接證據(jù)，表明超大質(zhì)量黑洞的形成可能發(fā)生在星系團(tuán)形成的早期階段