2025年大学《天文学》专业题库- 宇宙中的暗能量与暗物质

2025年大学《天文学》专业题库——宇宙中的暗能量与暗物质考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项填在括号内）1.天文学家通过观测星系旋转曲线，发现外围恒星的旋转速度远超经典引力理论预测，这通常被解释为存在哪种物质？(A)中微子(B)恒星(C)气体云(D)暗物质2.引力透镜效应是由于引力场使光线发生弯曲而产生的现象。哪种观测现象是引力透镜效应的有力证据？(A)星系团内部星系的空间分布(B)超新星的光谱红移(C)宇宙微波背景辐射的温度涨落(D)后发座星系团X射线发射源周围产生的扭曲星光3.以下哪项观测证据最直接地支持了宇宙正在加速膨胀的结论？(A)宇宙微波背景辐射的偏振信号(B)恒星内部核反应的观测(C)超新星Ia作为标准烛光测量的视向速度-距离关系(D)恒星日冕的温度异常4.在标准宇宙学模型ΛCDM中，代表暗能量的参数通常用ΩΛ表示，其物理意义是？(A)宇宙总质能密度与临界密度的比值(B)暗物质能量密度与宇宙总能量密度的比值(C)暗能量密度与宇宙总能量密度的比值(D)重子物质能量密度与暗物质能量密度的比值5.暗物质的主要特性之一是其几乎不与电磁力相互作用。以下哪种探测暗物质的方法主要依赖于间接探测其引力效应？(A)直接探测实验（如CDMS）(B)间接探测实验（如暗物质天文观测）(C)原子干涉测量(D)中微子天文学6.所谓的“宇宙学常数”通常用Λ表示，在爱因斯坦场方程中代表什么？(A)引力常数(B)宇宙学哈勃参数(C)一种具有负能量密度的动态暗能量(D)一种具有负能量密度的静态暗能量项7.大尺度结构的形成被认为是引力在宇宙早期演化中主导作用的结果。暗物质的存在对于大尺度结构的形成起到了关键作用，主要体现在？(A)提供了主要的初始密度扰动(B)增强了重子物质的引力相互作用(C)通过引力束缚星系形成星系团(D)提供了克服宇宙膨胀的初始动力8.暗能量被认为具有负压强特性。负压强在宇宙学中意味着什么？(A)产生排斥性引力(B)减缓宇宙膨胀的减速率，甚至导致加速膨胀(C)增加星系内部的物质密度(D)使光线在传播中发生蓝移9.宇宙微波背景辐射（CMB）的后期扰动（late-timeCMBpolarization）可以被用来研究早期宇宙的物理过程，其中包括？(A)暗物质晕的形成(B)恒星的形成效率(C)暗能量的性质(D)行星大气的成分10.下列哪项是对暗物质和暗能量共同点的正确描述？(A)它们都是可以通过光学望远镜直接观测到的物质形式(B)它们的总质量占宇宙总质能密度的绝大部分(C)它们都主要通过引力相互作用影响宇宙的演化(D)它们的本质已经得到了明确的物理理论解释二、简答题（每小题5分，共25分。请简明扼要地回答下列问题）11.请简述引力透镜效应的基本原理及其在天文学研究中的一种应用。12.列举三种主要的观测证据，证明宇宙中存在暗物质。13.解释什么是宇宙加速膨胀，并简述超新星Ia测距如何为这一现象提供证据。14.简述NFW模型的主要内容及其在描述暗物质晕结构方面的作用。15.ΛCDM模型是目前最被广泛接受的宇宙学标准模型，请简述该模型包含哪些主要组成部分。三、计算题（每小题10分，共30分。请写出必要的公式、步骤和结果）16.假设一个星系团的质量主要集中在暗物质晕上，暗物质晕符合NFW分布，其特征尺度r_s=200kpc，总质量M_200=10^15M_sun。计算距离星系团中心500kpc处的暗物质密度（ρ(r)=M(r)/(4πr^3)）。17.观测到距离地球z=0.5的一颗超新星Ia，其视星等m_V=17.5mag。已知该超新星在距离d=1Mpc处的绝对星等M_V=-19.3mag。请使用这些数据估算宇宙的哈勃常数H_0（假设视星等m_V=M_V+5log10(d/Mpc)+25）。18.宇宙的加速膨胀暗示暗能量的存在。如果宇宙的总能量密度由暗物质（Ω_m=0.3）、暗能量（Ω_Λ=0.7）和重子物质（Ω_b≈0.05）构成，请计算在红移z=1时，暗能量密度（ρ_Λ）与总能量密度（ρ_total）的比值。四、论述题（15分。请结合所学知识，深入分析和阐述下列问题）19.暗物质和暗能量的存在给现代宇宙学带来了哪些主要挑战？为了解决这些问题，当前天文学家和研究者在实验和理论上分别采取了哪些探索途径？试卷答案一、选择题1.(D)2.(D)3.(C)4.(C)5.(B)6.(D)7.(C)8.(B)9.(C)10.(C)二、简答题11.引力透镜效应是引力场使光线发生弯曲的现象。当光线经过大质量天体（如星系团）附近时，其路径因该天体产生的引力场而偏折。应用：通过观测由前景天体（如星系团）引力透镜效应对背景光源（如遥远星系或类星体）产生的扭曲图像、亮化或时间延迟现象，可以推断前景天体的质量和分布，特别是暗物质的质量。12.主要观测证据包括：*星系旋转曲线异常：星系外围恒星的旋转速度远超经典引力预测，表明存在不可见的暗物质提供额外引力。*引力透镜效应：观测到星系团周围产生的扭曲星光、亮化背景源或引力透镜弧，其总质量远超可见物质估算值。*大尺度结构形成：宇宙微波背景辐射的偏振角标度峰、星系团和巨分子云的空间分布，表明早期宇宙密度扰动需要暗物质来提供足够的引力束缚，才能形成观测到的结构。13.宇宙加速膨胀是指宇宙的膨胀速率随时间推移在增加。超新星Ia作为标准烛光，其视星等与距离密切相关。通过测量不同距离（由宿主星系红移确定）的超新星Ia亮度，发现宇宙的膨胀速率确实在加速。这表明存在一种具有排斥性引力的能量密度，即暗能量，它克服了物质间的引力，使宇宙加速膨胀。14.NFW模型（Navarro-Frenk-White模型）是描述暗物质晕密度分布的常用模型。其核心内容是：暗物质晕在尺度半径r远大于特征尺度r_s时，其密度ρ(r)与r的平方成反比（ρ(r)∝r^-2）；在r接近零时，密度趋于无穷大；在r接近r_s时，密度平滑下降。该模型成功解释了星系旋转曲线和星系团中暗物质的存在，描述了暗物质晕通常具有核球状或椭球状，且中心密度较高的特征。15.ΛCDM模型（LambdaColdDarkMatter模型）是当前最被广泛接受的宇宙学标准模型。其主要组成部分包括：*暗物质（CDM）：一种不与电磁力相互作用、主要通过引力起作用的物质形式，占宇宙总质能密度的约27%。*暗能量（Λ）：一种具有负能量密度的动态或静态能量形式，表现为宇宙学常数，占宇宙总质能密度的约68%，是驱动宇宙加速膨胀的原因。*重子物质：构成恒星、星系、行星以及我们自身的普通物质，包括质子、中子、电子等，占宇宙总质能密度的约5%。*标准模型粒子：构成重子物质的基本粒子及其相互作用（强核力、弱核力、电磁力）。*爱因斯坦广义相对论：描述引力的理论框架。三、计算题16.解：根据NFW模型，暗物质密度ρ(r)=M(r)/(4πr^3*r_s^3)。其中，NFW质量分布函数为M(r)=M_200*ρ_s*r/(r+r_s)，ρ_s=M_200/(4πr_s^3)。将M(r)代入ρ(r)表达式，得到ρ(r)=M_200*ρ_s*r/[(r+r_s)*4πr^3*r_s^3]=M_200/(4πr_s^3)*r/[(r+r_s)*r^3]=M_200/(4πr_s^3*r^3)*r/(r+r_s)。当r>>r_s时，近似为ρ(r)≈M_200/(4πr_s^3*r^3)。代入数值：M_200=10^15M_sun,r_s=200kpc,r=500kpc。ρ(r)≈(10^15M_sun)/(4π*(200kpc)^3*(500kpc)^3)。需要进行单位换算：1kpc=3.086e+16m,1M_sun=1.989e+30kg。ρ(r)≈(10^15*1.989e+30kg)/(4π*(200*3.086e+16m)^3*(500*3.086e+16m)^3)kg/m^3。计算得ρ(r)≈4.8*10^-26kg/m^3。17.解：根据视星等与距离关系式m_V=M_V+5log10(d/Mpc)+25。已知m_V=17.5,M_V=-19.3。代入求解d：17.5=-19.3+5log10(d/1Mpc)+2517.5=5.7+5log10(d/1Mpc)11.8=5log10(d/1Mpc)log10(d/1Mpc)=11.8/5=2.36d/1Mpc=10^2.36d≈2.34*10^2Mpc=234Mpc。哈勃常数H_0=v/d，其中v是红移z处的视向退行速度。v≈cz，c为光速。H_0≈c*z/d。c≈3*10^8m/s,z=0.5,d=234Mpc=234*3.086e+22m。H_0≈(3*10^8m/s)*0.5/(234*3.086e+22m)s^-1Mpc^-1。H_0≈2.5*10^-18s^-1Mpc^-1。将单位转换为km/s/Mpc：H_0≈(2.5*10^-18s^-1Mpc^-1)*(3.086*10^5km/s/Mpc)≈7.72km/s/Mpc。18.解：总能量密度ρ_total=ρ_matter+ρ_Λ+ρ_baryon。其中ρ_matter=Ω_m*ρ_critical,ρ_Λ=Ω_Λ*ρ_critical,ρ_baryon=Ω_b*ρ_critical。ρ_total=(Ω_m+Ω_Λ+Ω_b)*ρ_critical=1*ρ_critical。ρ_Λ/ρ_total=ρ_Λ/ρ_critical=Ω_Λ。代入数值：Ω_Λ=0.7。ρ_Λ/ρ_total=0.7。在红移z=1时，宇宙膨胀因子a(z)=1/(1+z)=1/2。ρ_Λ(z=1)=ρ_Λ(0)*a(z)^3=ρ_Λ(0)*(1/2)^3=ρ_Λ(0)/8。ρ_total(z=1)=ρ_total(0)*a(z)^3=ρ_total(0)*(1/2)^3=ρ_total(0)/8。因此，ρ_Λ/ρ_total=(ρ_Λ(0)/8)/(ρ_total(0)/8)=ρ_Λ(0)/ρ_total(0)=Ω_Λ=0.7。四、论述题19.暗物质和暗能量的存在给现代宇宙学带来了严峻挑战：*性质不明：暗物质是什么？它是由未知的粒子构成，还是某种修正引力的理论效应？暗能量的本质更是完全未知，是宇宙学常数（一种静态项）还是动态的quintessence场？*观测证据的间接性：暗物质和暗能量的直接探测至今未获成功，主要依赖其引力效应的间接观测，这限制了我们对它们的性质和行为的理解。*理论模型的困难：将暗物质/暗能量纳入现有物理框架（如粒子物理标准模型、广义相对论）面临困难，例如暗物质与标准模型的耦合机制、暗能量的动力学演化等。*宇宙学参数的精确测量：暗物质和暗能量的精确含量（Ω_m,Ω_Λ）对宇宙学参数的测量至关重要，但现有观测手段存在系统误差和不确定性，使得精确确定其值和性质困难。*标准模型的失效：暗物质和暗能量的存在表明，基于重子和辐射的早期宇宙学标准模型（大爆炸核合成、光子冷却等）在早期宇宙或更基本层面可能需要修正。为解决这些问题，当前探索途径包括：*实验探测：在地面上建造更灵敏的直接探测装置（如CDEX,DarkSide,XENONnT）和间接探测装置（如AMS,Fermi-LAT）；在地下或太空中建造中微子、伽马射线、正电子等实验，寻找暗物质粒子信号。*天文观测：利用引