2025年大学《天文学》专业题库- 宇宙加速膨胀与宇宙学红移

2025年大学《天文学》专业题库——宇宙加速膨胀与宇宙学红移考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.下列哪一项不是宇宙学红移的主要成因？A.宇宙空间本身的膨胀B.观测者与光源之间的相对退行运动C.宇宙早期高温辐射冷却时发出的光被“拉伸”D.星系自身旋转产生的多普勒效应2.哈勃常数H₀的物理意义是？A.星系视向速度与其实际距离的比值B.星系视向速度与星系自转速度的比值C.宇宙膨胀随时间变化率的度量D.宇宙年龄的倒数3.在标准ΛCDM宇宙模型中，决定宇宙膨胀是加速还是减速的主要因素是？A.总物质能量密度B.暗物质能量密度C.暗能量（或宇宙学常数）的能量密度D.重力4.观测到遥远超新星Ia的视星等普遍比预期（基于标准烛光模型）要暗，这主要支持了哪种宇宙学结论？A.宇宙在膨胀B.宇宙膨胀在减速C.宇宙膨胀在加速D.宇宙中存在大量系外行星5.宇宙微波背景辐射（CMB）的视向速度红移z≈1100，这大约对应着宇宙年龄约为多少？（假设宇宙近似为平坦的弗里德曼模型）A.10亿年B.40亿年C.130亿年D.200亿年6.宇宙学距离测量中，从近到远依次常用的标准工具有？A.磁变星、造父变星、超新星Ia、哈勃定律B.哈勃定律、造父变星、超新星Ia、视差C.视差、造父变星、磁变星、超新星IaD.超新星Ia、造父变星、视差、哈勃定律7.“红移”这个术语在广义相对论中可以指？A.仅由多普勒效应引起的光波长变化B.仅由引力场引起的光波长变化C.宇宙膨胀引起的光波长变化，以及引力场引起的变化D.只有在远离光源时才会发生8.如果宇宙中只有宇宙学常数（Λ）贡献暗能量，且其能量密度不随时间变化，那么宇宙的膨胀将是？A.匀速膨胀B.越来越快的加速膨胀C.越来越慢的减速膨胀D.先加速后减速膨胀9.宇宙学红移z定义为？A.光源接收到的频率与光源发射时频率之比B.光源发射时频率与观测者接收到的频率之比C.观测者接收到的波长与光源发射时波长之比D.光源接收到的波长与观测者接收到的波长之比10.下列哪个观测现象直接证明了暗物质的存在？A.宇宙微波背景辐射的温度涨落B.星系团X射线发射图像中暗物质晕的存在C.超新星Ia视星等随红移的变化D.宇宙加速膨胀的证据二、填空题1.宇宙学红移z是衡量__________和__________之间宇宙空间膨胀程度的一个关键参数。2.根据哈勃定律v=H₀d，若测得某遥远星系的红移z=0.5，其视向速度v≈_________km/s(假设H₀≈70km/s/Mpc)。3.能够“点亮”宇宙，用于测量遥远宇宙距离的“标准烛光”是__________型超新星。4.宇宙学常数Λ在广义相对论中代表一种具有__________效应的项，它与暗能量密切相关。5.宇宙微波背景辐射是宇宙年龄约为__________时遗留下来的热辐射遗迹。6.若一个天体的视向速度v远小于光速c，其多普勒红移量Δλ/λ可以近似表示为_________(v为正表示远离，c为光速)。7.在标准宇宙学模型中，总物质能量密度（包括普通物质和暗物质）占宇宙总能量密度的比例约为__________。8.宇宙学距离d与红移z的关系通常比较复杂，但对于早期宇宙（z很大），可以使用__________关系进行近似估算。9.能够导致宇宙加速膨胀的暗能量形式，其能量密度通常被认为是__________（随时间变化/不随时间变化）。10.解释宇宙加速膨胀现象的两种主要理论途径是__________和__________。三、简答题1.简述宇宙学红移与多普勒红移的主要区别。2.解释哈勃定律v=H₀d所描述的物理关系，并说明H₀的物理意义。3.简述超新星Ia作为“标准烛光”用于测量宇宙距离的基本原理。四、计算题1.假设一个遥远星系的光谱中，某发射线在实验室中测得的波长为λ₀=500nm，在接收到该星系的光时，观测到的波长为λ=505nm。请计算该星系的宇宙学红移z，并估算其大致的视向速度（假设非相对论性，光速c=3x10⁸m/s，1nm=10⁻⁹m）。2.在一个简单的宇宙模型中，宇宙总能量密度ρ总是常数。证明在这种情况下，宇宙的膨胀是匀速的（即哈勃参数H=H₀，不随时间变化）。提示：考虑宇宙尺度因子a(t)的二阶导数ā/t²与其自身和密度ρ的关系（来自弗里德曼方程）。试卷答案一、选择题1.D2.A3.C4.C5.C6.A7.C8.B9.C10.B二、填空题1.光源遥远观测者2.353.Ia4.负压强（或排斥力）5.38万6.v/c7.30%8.d≈z/H₀（或z≈H₀d，适用于早期宇宙近似）9.不随时间变化10.暗能量（真空能）惯性机制（或修正引力）三、简答题1.解析思路：区分物理本质和观测效果。宇宙学红移源于宇宙空间本身的膨胀，导致光线传播过程中波长被拉伸，是空间本身的动力学效应，适用于所有宇宙学尺度。多普勒红移源于光源和观测者之间的相对运动，是波源或接收者运动导致接收到的波频率/波长发生变化，是相对论效应，通常在较小尺度（如恒星、星系内部）讨论。宇宙学红移是宏观宇宙膨胀的普遍表现，多普勒红移是局部相对运动的效应。2.解析思路：阐述哈勃定律内容v=H₀d。v是星系的视向退行速度，d是星系到观测者的宇宙距离。H₀是哈勃常数，表示宇宙膨胀的速率，即单位距离内星系的视向退行速度。该定律揭示了宇宙膨胀的速度与距离成正比的关系，是宇宙大爆炸理论的重要证据。3.解析思路：解释超新星Ia的性质和标准烛光原理。超新星Ia是一种核塌缩型超新星，其前身星是白矮星。在特定条件下（如双星系统吸积），白矮星达到钱德拉塞卡极限而引发爆炸，其peak绝对星等非常稳定，不依赖于其初始质量或化学成分。因此，不同距离处的超新星Ia呈现不同的视星等，通过测量其视星等并与已知的绝对星等对比，即可推算出其距离。四、计算题1.解析思路：红移z定义为观测波长与源波长的比值之差：z=(λ-λ₀)/λ₀。计算得到z后，利用非相对论性红移公式v≈cz，即可求得视向速度。注意单位换算。计算过程：z=(505nm-500nm)/500nm=5nm/500nm=0.01v≈cz=3x10⁸m/s*0.01=3x10⁶m/s=3000km/s答案：红移z=0.01，视向速度v≈3000km/s。2.解析思路：根据弗里德曼方程：ä/t²=(8πG/3)ρ-κ/a³-Λ/a⁴。其中ρ是总能量密度，G是引力常数，κ是曲率常数，a是宇