2025年大学《天文学》专业题库- 宇宙膨胀速度对暗能量的制约

2025年大学《天文学》专业题库——宇宙膨胀速度对暗能量的制约考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述哈勃定律的物理意义，并说明哈勃常数H₀的测量对现代宇宙学的重要性。二、什么是暗能量？请从宇宙加速膨胀的角度解释其存在的必要性。与普通物质和能量相比，暗能量最显著的区别是什么？三、宇宙学基本方程（弗里德曼方程）在研究宇宙膨胀和暗能量的作用是什么？请写出其中一个关键的方程，并简要解释其各项的物理含义。四、观测遥远Ia型超新星提供了宇宙加速膨胀的证据。请简述这一观测的基本原理，并说明它如何“制约”暗能量的性质。五、宇宙常数（Λ）被认为是暗能量的一种简单模型。请描述这种模型下暗能量的性质，并说明它如何解释宇宙的加速膨胀。六、当前宇宙学研究中，“哈勃常数”存在不同的测量结果，导致了所谓的“哈勃张力”。请简述这一问题的现象，并简要分析其可能的原因或对暗能量研究的启示。七、假设宇宙只由物质（包括普通物质和暗物质）和暗能量（以宇宙常数形式存在）组成。请根据宇宙学标准模型，描述该宇宙随时间演化的基本趋势（例如，膨胀速率的变化、物质密度占比的变化等）。八、请列举至少三种除了超新星之外的、可用于测量宇宙距离或约束暗能量参数的宇宙学观测手段，并简要说明其中一种的工作原理及其与暗能量研究的关联。九、暗能量的存在对宇宙的最终命运有何影响？请结合暗能量的基本特性进行说明。十、如果你是一位天文学家，想要进一步精确测定暗能量的性质，你会建议优先利用哪些类型的观测数据？请简要说明理由。试卷答案一、哈勃定律描述了宇宙空间中星系退行速度与其距离成正比的关系(`v=H₀d`)，揭示了宇宙正在整体膨胀。哈勃常数H₀表示宇宙膨胀的当前速率，其精确测量值对于确定宇宙的年龄、物质密度、暗能量密度以及预测宇宙的未来演化至关重要，是检验宇宙学模型的基础。二、暗能量是一种导致宇宙加速膨胀的、具有负压强的神秘能量形式。其存在是因为观测到宇宙在最近数十亿年处于加速膨胀状态，而根据现有宇宙学模型，普通物质、暗物质和宇宙常数都无法单独解释这种加速。暗能量与普通物质/能量的主要区别在于它与引力相互作用相反（具有负压强，表现为排斥力），并且不与电磁力相互作用（透明）。三、宇宙学基本方程（弗里德曼方程）是描述宇宙动力学演化的一组方程，源于广义相对论在均质、各向同性宇宙模型下的应用。它们将宇宙的几何性质（通过尺度因子`a(t)`描述）、物质和能量的密度以及宇宙的膨胀速率联系起来。其中一个关键方程是：`H²=(8πG/3)ρ-kc²/a²+Λ/c²`其中，`H`是哈勃参数（宇宙膨胀速率），`G`是引力常数，`ρ`是总能量密度（包含物质、辐射、暗能量），`k`是宇宙空间曲率，`a`是宇宙标度因子，`Λ`是宇宙常数（代表暗能量的某种形式），`c`是光速。该方程展示了哈勃参数的平方与总能量密度、空间曲率和宇宙常数之间的关系。四、Ia型超新星由于其核反应过程高度标准，在不同星系、不同时代的视星等（亮度）非常相似，如同“标准烛光”。通过测量遥远超新星的视星等，结合其自身绝对星等，可以推算出其距离。同时，利用其他方法（如标准尺，如哈勃流或本星系群的测距链）测量这些超新星宿主星系的距离。将测得的距离与超新星的退行速度（通过多普勒效应测量）结合，利用哈勃定律`v=H₀d`，可以确定哈勃常数H₀。多组不同距离、不同H₀的测量结果相互比对，发现H₀存在系统性差异，其中部分结果指向宇宙加速膨胀（需要非零的暗能量密度），这与超新星的观测结果一致，从而“制约”了暗能量的性质，主要是其存在性和密度参数Ω_Λ。五、宇宙常数（Λ）模型认为暗能量是一种均匀分布在空间中、不随时间变化的能量密度。这种模型下，暗能量的状态方程参数`w=p/ρ=-1`，即其压强恰好等于其密度的负值。负压强产生排斥性的引力效应，导致宇宙膨胀加速。在这种模型中，宇宙加速膨胀的方程简化为`Ā/A≈-Λ/3`（在能量密度主导的时期），其中`Ā/A`是标度因子`a(t)`的时间导数与自身的比值，即加速膨胀率。因此，宇宙常数可以直接解释观测到的宇宙加速膨胀。六、“哈勃张力”指的是利用不同方法（如基于CMB暴露的早期宇宙信息的WMAP/Planck数据，和基于近期宇宙可观测距离/宇宙学曲率测量的超新星/BAO数据）测得的哈勃常数H₀值之间存在显著的、系统性的差异。例如，基于CMB数据的H₀估值约为67-68km/s/Mpc，而基于超新星和本星系群测距链的数据估值约为73-74km/s/Mpc。这种不一致性对标准宇宙学模型（ΛCDM）构成了挑战，可能暗示了模型中存在未知的修正、系统误差，或者需要新的物理学来理解暗能量和宇宙学常数等基本参数。七、在一个只包含物质（普通+暗物质）和宇宙常数（Λ）的宇宙中，其演化趋势如下：早期，辐射和宇宙常数可忽略，引力主导，宇宙减速膨胀，物质密度随时间推移而增加（`ρ∝1/a³`）。随着宇宙膨胀降温，物质密度下降快于辐射密度。当物质密度下降到与暗物质密度相当时，宇宙开始加速膨胀（由于暗物质仍提供正引力，但宇宙常数提供的排斥力开始占主导）。此后，宇宙常数成为主导能量密度，宇宙加速膨胀持续至今。物质密度占比随时间单调下降，暗物质密度占比先增加后下降，宇宙常数密度占比保持相对稳定（除非ΛCDM模型中的修正项起作用）。八、可用于测量宇宙距离或约束暗能量参数的观测手段包括：1)宇宙微波背景辐射(CMB)：通过测量CMB的角功率谱，可以推断宇宙的几何形状（包括曲率`k`）、物质密度参数(`Ω_m`)和早期演化，进而约束暗能量参数。2)大尺度结构(LSS)：通过观测星系团或超星系团的空间分布和相关性，可以推断宇宙的引力动力学，从而约束物质密度和暗能量密度。3)宇宙学红移距离标度关系(BAO)：通过测量不同红移处本星系群/室女座超星系团之间的距离，可以检验宇宙膨胀历史，约束H₀和暗能量参数。其中，CMB提供了关于早期宇宙和整体宇宙学参数信息，LSS提供了关于物质分布和引力效应的信息，BAO提供了关于近期宇宙膨胀速率变化的信息。九、如果宇宙中存在暗能量（特别是导致加速膨胀的暗能量），那么宇宙将永远膨胀下去，不会停止膨胀并重新坍缩（大挤压）。暗能量的排斥力会阻止引力最终克服膨胀。随着宇宙的持续膨胀，物质和暗物质会因引力作用逐渐形成更大的结构（如星系团），但宇宙整体将不断扩展，其温度将趋于绝对零度，所有结构最终因宇宙膨胀而相互远离，甚至光线也无法连接遥远的物体，最终进入所谓的“热寂”或“大冻结”状态。十、为了进一步精确测定暗能量的性质，建议优先利用：1)宇宙微波背景辐射(CMB)的极化信号：CMB的电偶极子（E-mode）和磁偶极子（B-mode）极化包含了关于早期宇宙inflation时期的信息以及关于中微子质量、中子星分布和宇宙学参数（包括暗能量）的约束，特别是B-mode极化可以直接探测原初引力波信号，对检验暗能量模型和寻找新物理至关重要。2)大尺度结构的偏