2025年大学《天文学》专业题库- 宇宙中暗物质的分子结构

2025年大学《天文学》专业题库——宇宙中暗物质的分子结构考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述暗物质在天文学观测中的主要证据，并说明为何这些证据不能直接证明暗物质是由基本粒子组成的“分子”结构。二、比较直接探测暗物质和间接探测暗物质的主要原理、所用设备类型以及各自面临的关键挑战。直接探测中，为何对暗物质粒子与普通物质相互作用截面（耦合强度）的精确测量至关重要？三、假设暗物质由某种自旋为0的标量粒子（S）组成，该粒子通过自作用力形成束缚态，类似于普通分子的化学键。请简述这种模型下，形成稳定“分子”所需的引力势能与粒子自作用势能之间的关系。并讨论这种模型如何可能影响星系或星系团内部暗物质的密度分布或动力学行为。四、宇宙微波背景辐射（CMB）的某些角功率谱异常（如“标度偏移”）有时被提出可能与暗物质的早期形成或其特殊性质有关。请解释CMB如何能间接提供关于暗物质“分子结构”或相关动力学性质的信息，并说明这类关联研究所面临的主要困难。五、列举三种目前被广泛讨论的暗物质直接探测实验所使用的探测原理，并分别说明它们试图探测的暗物质“信号”是什么，以及可能存在的本底干扰来源。讨论如何区分真实的暗物质信号与本底噪声。六、若暗物质“分子结构”的假设暗示暗物质粒子间存在某种形式的“量子简并”或“集体行为”，请阐述这可能如何影响暗物质晕在星系形成过程中的动力学演化，例如对星系旋转曲线、恒星流或球状星团分布的影响。七、回顾近十年来暗物质间接探测领域的重要进展（例如，来自LHC、费米太空望远镜或帕克太阳探测器等实验的数据）。简述这些进展为检验暗物质“分子结构”相关的理论假说（例如，特定粒子质量的WIMP衰变、暗物质与光子/中微子的高能相互作用等）提供了哪些线索或约束。八、结合当前观测宇宙学对暗物质晕质量分布的测量结果，讨论这些结果与冷暗物质（CDM）标准模型以及可能包含暗物质“分子结构”效应的修正模型之间的一致性或矛盾之处。提出至少一个可能的解决方案或需要进一步观测验证的方向。试卷答案一、观测证据主要包括：星系旋转曲线（外围星体速度远超仅由可见物质引力维持的速度）、星系团引力透镜效应（光线弯曲程度超预期）、宇宙大尺度结构的形成和演化（如引力透镜测量得到的暗物质晕分布）。这些证据表明存在大量非亮物质，但其相互作用性质未知。不能直接证明分子结构，因为观测只揭示质量分布和引力效应，未探测到构成暗物质的粒子本身及其微观结构。暗物质“分子结构”是关于构成暗物质的粒子性质及其相互作用的假设，与现有观测证据无直接矛盾，但也未被证实。二、直接探测原理：在地球上放置对特定粒子（如WIMP）与其相互作用敏感的探测器（如超灵敏探测器，利用粒子碰撞产生的热量、电荷或声子），测量地壳穿透的暗物质粒子引起的微弱信号。间接探测原理：探测暗物质粒子湮灭或衰变产生的次级粒子（如伽马射线、正负电子对、中微子等），通过分析这些信号的特征（如方向、能量、角分布）来推断暗物质的存在、性质和分布。直接探测面临挑战：暗物质粒子与普通物质作用截面极小，导致探测器事件率极低；难以完全排除背景噪声（如放射性本底、宇宙射线）的干扰。间接探测面临挑战：信号与普通天体物理过程（如核合成余晖、AGN、伽马射线暴）可能混淆；信号强度与暗物质模型参数高度敏感，模型不确定性大。三、形成稳定束缚态（类似分子）需要总势能（引力势能+粒子自作用势能）为负值，且能级差足够大以抵抗热运动。引力势能主要由暗物质自身质量产生。若假设暗物质由标量粒子S组成，其自作用力产生自作用势能。形成稳定“分子”则要求负的自作用势能贡献足以克服引力势能，或者说自作用力必须足够强以束缚粒子。这种模型可能影响暗物质晕密度分布，例如，如果“分子”比自由粒子更难逃逸，可能导致晕中心密度更高或存在束缚态的聚集区域。也可能影响其动力学，例如，如果“分子”是流体，其粘滞性或声速会改变晕的密度波动行为。四、CMB是宇宙早期遗留下来的热辐射，其微小的温度涨落记录了早期宇宙的密度扰动。某些特定的CMB角功率谱异常（如特定波数的偏移或增强）可能暗示早期宇宙中存在与标准模型不同的物理过程。如果暗物质“分子结构”在早期形成或演化过程中扮演了角色（例如，通过特定的不稳定性机制），它可能改变暗物质晕的初始分布或注入CMB的引力波。这些效应可能留下独特的印记，如在CMB功率谱的特定位置出现异常信号，或改变偏振模式。主要困难在于CMB信号极其微弱，异常信号极易被已知的系统误差和随机噪声所淹没；需要非常精确的数据和复杂的理论模型来解释和验证。五、1.液氮低温探测器（如CDMS,XENON）：原理：利用WIMP粒子与原子核（如Si,Ge）发生弹性散射或核反应，在探测器材料中产生电子-空穴对，由强磁场聚焦和精密电荷雪崩放大探测。信号：微弱的电荷信号。本底：放射性衰变（自然放射性、探测器材料固有放射性）、宇宙射线（核成分）。2.原子干涉仪探测器（如CRESST,EDELWEISS）：原理：利用WIMP散射使原子核反冲，导致晶格振动（声子）或原子从基态跃迁到激发态（光子），通过声学或光学方法探测。信号：声子信号或光子信号。本底：放射性衰变产生的热噪声、声学噪声、背景光子。3.中微子探测器（如IceCube,Antares）：原理：利用高能暗物质粒子（如WIMPs）湮灭或衰变产生的中微子与水或海水中原子核发生碰撞，产生Čerenkov光。信号：探测到Čerenkov光脉冲阵列。本底：大气中宇宙射线簇射产生的中微子、太阳中微子、地球放射性衰变产生的中微子。区分方法：分析事件的空间指向（指向地球vs.天空）、能量谱、角分布等特征，与已知天体物理源和背景模型进行对比。六、如果暗物质粒子间存在量子简并或集体行为，暗示它们可能表现出类似玻色子或费米子的统计特性或相干效应。这可能显著改变暗物质晕的动力学：对于玻色子-like暗物质，在密度高的区域可能出现凝聚或相变，改变晕的形态（可能更球形或具有核心）和密度分布；集体行为（如暗物质“声波”）可能在晕形成和演化中留下独特的振荡模式，影响星系内恒星的分布（如形成“暗物质恒星流”或影响球状星团的运动学）。费米子-like暗物质如果具有简并，则其压力项会改变，影响其热动力稳定性。七、近年重要进展：1.LHC实验未发现标准模型之外的中微子或额外玻色子，对某些WIMP模型（如特定质量点的衰变到中微子对）设置了更严格的限制。2.费米太空望远镜伽马射线望远镜数据对暗物质自湮灭/衰变产生的特征谱线或伽马射线团进行了更精确的搜索，未发现明确证据，但对特定模型参数空间（如特定自作用截面）施加了约束。3.帕克太阳探测器等高能粒子探测器开始对来自太阳圈附近的暗物质衰变/湮灭信号进行前所未有的精确测量，为探测轻WIMP或强相互作用暗物质提供了新途径。这些进展总体上缩小了部分暗物质模型（特别是特定类型的WIMP和轻暗物质）的可参数空间，但也凸显了现有理论的不足，表明检验更广泛或更复杂的暗物质“分子结构”假说仍需更多数据和更深入的研究。八、观测宇宙学通过引力透镜测量得到的大尺度暗物质晕分布普遍符合CDM标准模型预测的“无结构”或“类核球”分布，与“分子结构”（如果指粒子间强束缚）相矛盾。CDM模型中，暗物质粒子相对“冷”（低速），容易形成引力束缚结构，并在引力作用下逐渐集结成晕。而如果暗物质粒子间存在强相互作用形成稳定“分子”，可能阻止其逃逸，导致密度分布更集中，或者形成更弥散的束缚态，这与观测