2025年大学《天文学》专业题库- 宇宙的膨胀与加速膨胀

2025年大学《天文学》专业题库——宇宙的膨胀与加速膨胀考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内。）1.哈勃定律描述了宇宙大尺度上的什么关系？(A)星系亮度与其距离的关系(B)星系视向速度与其内部旋转速度的关系(C)星系视向速度与其距离的关系(D)星系大小与其年龄的关系2.导致来自遥远星系的光线发生红移的主要原因是？(A)光线在传播过程中能量损失(B)多普勒效应，由于星系正在远离我们(C)宇宙尘埃对光线的散射(D)观测仪器产生的误差3.以下哪项观测证据是支持宇宙正在加速膨胀的主要依据？(A)宇宙微波背景辐射的平坦性(B)观测到河外星系的自转速度与其质量分布不匹配(C)对超新星Ia的视光度和视向速度的测量表明遥远星系退行速度更快(D)大尺度结构的形成模式4.“标准烛光”在宇宙学研究中指的是什么？(A)发出标准谱的恒星(B)具有已知且稳定物理性质的、可用于测定距离的天体(C)膨胀过程中体积均匀变化的天体(D)视星等不随距离变化的星系5.宇宙学常数（Λ）在爱因斯坦场方程中通常代表什么？(A)引力修正项(B)能量密度项(C)动量密度项(D)宇宙曲率项6.导致宇宙从早期可能的减速膨胀转变为当前加速膨胀的主要假设是？(A)宇宙物质密度的变化(B)暗物质分布的变化(C)出现了一种具有负压强的未知能量形式(D)宇宙膨胀速度本身发生了随机变化7.暗能量被假定为一种导致宇宙加速膨胀的神秘力量，其主要特征是什么？(A)它具有正压强，类似于理想气体(B)它只存在于星系团内部(C)它的能量密度不随宇宙膨胀而减少(D)它与暗物质相互作用很强8.宇宙微波背景辐射是宇宙早期遗留下来的“余晖”，对其角功率谱的研究可以推断出？(A)宇宙的年龄(B)宇宙的总物质能量密度(C)宇宙的几何形状（平坦性）(D)暗能量的具体形式9.如果宇宙的总能量密度恰好等于临界密度，那么根据当前的宇宙学模型，宇宙的几何形状最可能是？(A)开宇宙（负曲率）(B)拐宇宙（正曲率）(C)平坦宇宙（零曲率）(D)无法确定10.“视界问题”（HorizonProblem）是指宇宙微波背景辐射在空间上为何具有如此接近的温度？(A)因为宇宙在早期经历了极快速的膨胀阶段，即暴胀(B)因为温度较低的区域和温度较高的区域通过引力相互作用达到了平衡(C)因为观测仪器存在系统误差(D)因为宇宙微波背景辐射来自一个无限大的均匀源二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）11.描述宇宙膨胀速率随距离变化关系的定律是______定律。12.红移量与物体远离观测者的速度成正比，这体现了______效应。13.除了普通物质和暗物质，宇宙中占据主导地位的第三种能量形式被认为是______。14.通过测量遥远超新星Ia的______和______来确定宇宙的距离，进而研究宇宙膨胀的历史。15.宇宙的总能量密度由物质能量密度、暗物质能量密度和______能量密度共同构成。16.宇宙微波背景辐射的“拱顶”对应于宇宙年龄约为______秒时的温度扰动。17.根据当前的宇宙学参数估计，暗物质约占宇宙总质能的______，暗能量约占______。18.宇宙的膨胀导致空间距离随时间增大，这使得宇宙中的光线传播路径发生______效应。19.宇宙大尺度结构的形成被认为是引力在宇宙膨胀背景下对初始密度涨落______的结果。20.爱因斯坦最初引入宇宙学常数是为了解决他当时认为的静态宇宙模型问题，后来发现它可能对应于______。三、简答题（每题5分，共15分。请简洁明了地回答下列问题。）21.简述哈勃常数H₀的物理意义及其测量方法的主要挑战。22.解释为什么超新星Ia被称作“标准烛光”，它对于研究宇宙加速膨胀有何重要性？23.简述宇宙从减速膨胀到加速膨胀的转变对宇宙最终命运可能产生的影响。四、计算题（每题7分，共14分。请写出必要的公式、步骤和结果。）24.假设哈勃常数H₀=70km/s/Mpc。一个位于距离我们d=1Gpc（1Gpc=3.26×10⁹光年）的星系，其视向退行速度大约是多少？请将结果以km/s和光年/年为单位表示。25.宇宙微波背景辐射的标度关系表明，在早期宇宙中，声波峰的物理波长λ与宇宙年龄t_s的关系近似为λ∝t_s。若一个声波峰对应于角尺度θ≈1°，估算该声波峰形成时宇宙的年龄大约是多少年？（提示：1度的角尺度对应的物理距离约等于该角尺度乘以宇宙半径，而宇宙半径约等于宇宙年龄乘以光速。）五、论述题（10分。请结合所学知识，全面而深入地回答下列问题。）26.综述支持宇宙加速膨胀的主要观测证据，并简述暗能量的基本性质及其面临的理论挑战。试卷答案一、选择题1.(C)2.(B)3.(C)4.(B)5.(B)6.(C)7.(C)8.(C)9.(C)10.(A)二、填空题11.哈勃(Hubble)12.多普勒(Doppler)13.暗能量(DarkEnergy)14.视光度(ApparentMagnitude),视向速度(RadialVelocity)15.暗能量(DarkEnergy)16.38万(380,000)17.约27%(approximately27%),约68%(approximately68%)18.多普勒(Doppler)19.发展(evolution)/增长(growth)20.宇宙学常数(CosmologicalConstant)三、简答题21.哈勃常数H₀描述了宇宙膨胀的速率，即每秒每兆秒差距星系的视向退行速度。其测量方法主要挑战在于精确测量遥远星系的视向速度（需要高分辨率光谱）和距离（需要可靠的标尺，如标准烛光或标准尺）。系统误差和测量不确定性都会影响H₀的精确值。22.超新星Ia是自身核燃料耗尽的白矮星发生灾难性爆炸，其峰值亮度在爆发时基本固定，不随星等或距离的变化而显著改变，如同宇宙中的“标准灯泡”。通过比较超新星Ia的已知亮度（视星等）和观测到的亮度，可以利用视差或标准烛光自身特性来确定其距离。通过测量不同距离处超新星的退行速度，可以绘制出宇宙距离-哈勃关系，研究其随时间（即宇宙膨胀历史）的变化，从而发现加速膨胀的证据。23.如果宇宙加速膨胀，这意味着推动宇宙远离的力（暗能量）会变得越来越强。这可能改变宇宙的最终命运，例如，加速膨胀可能导致所有星系最终相互分离，甚至使宇宙达到“热寂”状态，其中所有恒星燃尽，黑洞蒸发，宇宙温度趋于绝对零度，并持续膨胀下去，这与减速膨胀可能导致的宇宙重新坍缩（大挤压）或达到稳态等结局截然不同。四、计算题24.解：根据哈勃定律V=H₀d。V=70(km/s/Mpc)×1(Gpc)=70(km/s/Mpc)×3.26×10⁹(Mpc/Gpc)V≈2.282×10¹¹km/s1Gpc=10⁹光年，所以d=1×10⁹光年。V≈2.282×10¹¹km/s≈2.28×10¹¹km/s以光年/年为单位计算距离：1光年/年=c(约3×10⁸m/s)。d=1Gpc=3.26×10¹⁸m。V=(2.282×10¹¹km/s)×(10³m/km)=2.282×10¹⁴m/s。V(光年/年)=(2.282×10¹⁴m/s)/(3×10⁸m/sperlight-year/year)≈7.61×10⁶光年/年。答：视向退行速度约为2.28×10¹¹km/s或7.61×10⁶光年/年。25.解：宇宙半径R≈宇宙年龄t×光速c。角尺度θ≈1°=π/180弧度。物理尺度λ≈θ×R≈θ×(t×c)。声波峰形成时对应的时间t_s满足λ∝t_s。λ≈(π/180)×(t_s×c)。给定λ∝t_s，假设λ≈1°(或取具体数值如θ=1°对应的技术细节)，则t_s≈λ/c≈(π/180)×R/c≈(π/180)×(t_s×c)/c=t_s。（此步简化，实际应关注比例关系，若λ≈θR=(π/180)R）若取λ≈1°对应的物理波长约为150Mpc(这是一个近似值，取决于具体模型和峰值定义)。t_s≈λ/c≈(150Mpc)/(3×10⁸m/s)。1Mpc=3.086×10²²m。t_s≈(150×3.086×10²²m)/(3×10⁸m/s)=(150×1.0287×10²⁰s)=1.54×10¹⁸s。将秒转换为年：1年≈3.154×10⁷s。t_s≈(1.54×10¹⁸s)/(3.154×10⁷s/year)≈4.88×10¹⁰年。答：声波峰形成时宇宙的年龄大约为4.88×10¹⁰年（约48.8亿年）。注意：此结果依赖于λ/θ的具体数值，不同模型或定义下结果有差异。五、论述题26.支持宇宙加速膨胀的主要观测证据包括：1.超新星Ia距离-视向速度关系：对大量遥远超新星Ia的观测发现，其视向退行速度比根据宇宙减速膨胀模型预测的要快，即宇宙距离-哈勃关系呈现出向上弯曲的趋势，表明宇宙膨胀正在加速。2.宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性：CMB功率谱在角尺度约为1度处存在一系列峰值，这些峰值的位置和相对幅度与宇宙的几何形状、物质密度和早期演化密切相关。最新的精密测量结果与宇宙为平坦、低物质密度（暗物质+暗能量主导）且正在加速膨胀的模型高度吻合。特别是“拱顶”对应早期声波震动的特征尺度，其形成时间与加速膨胀阶段的开始时间一致。3.大尺度结构的形成和演化：通过观测星系团、星系等大尺度结构的空间分布和偏振，可以推断宇宙的引力透镜效应和膨胀历史。这些观测结果同样支持暗能量存在并主导宇宙，导致大尺度结构在后期演化中加速分离。暗能量的基本性质是：它是一种具有负压强（或等效的正曲率斥力）的能量形式，其