2025年大学《天文学》专业题库- 暗物质和暗能量的起源与作用

2025年大学《天文学》专业题库——暗物质和暗能量的起源与作用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。）1.下列哪一项不是暗物质的主要观测证据？A.宇宙微波背景辐射的偏振B.星系旋转曲线C.宇宙大尺度结构的形成D.引力透镜效应2.冷暗物质模型中，暗物质的主要形成机制是？A.星系碰撞和合并B.宇宙暴胀C.星系形成过程中的引力坍缩D.大麦哲伦星系的剥离3.下列哪种宇宙学参数的测量值直接支持了宇宙加速膨胀的结论？A.宇宙年龄B.宇宙的哈勃常数C.宇宙的光度距离D.宇宙的质能密度4.暗能量的一个主要特征是？A.具有正压强B.与普通物质发生电磁相互作用C.具有负压强D.主要分布在星系中心区域5.下列哪种理论模型试图通过修改引力理论来解释宇宙加速膨胀？A.标量场模型B.修正引力学说C.冷暗物质模型D.暗物质晕模型6.伽马射线暴被认为是寻找暗物质湮灭或衰变信号的重要途径，这是因为？A.暗物质与普通物质相互作用会产生高能伽马射线B.伽马射线暴具有极高的亮度C.伽马射线暴可以穿透星际介质D.伽马射线暴的起源与暗物质分布密切相关7.暗物质晕模型的主要思想是？A.暗物质主要以点状分布在星系中B.暗物质主要集中在星系盘面C.暗物质以球状或椭球状包围着星系D.暗物质主要以气态形式存在于星系际空间8.下列哪种实验方法被广泛用于探测暗物质粒子？A.射电望远镜观测B.粒子对撞机实验C.质谱仪分析D.X射线望远镜观测9.暗能量的宇宙学常数模型认为，暗能量的性质在宇宙演化过程中？A.会随时间变化B.保持不变C.会周期性变化D.会逐渐消失10.暗物质和暗能量的总质量占宇宙总质能的百分比大约是？A.5%B.25%C.70%D.95%二、填空题（每空2分，共20分。）1.暗物质不与电磁相互作用，因此通常难以直接观测，其存在主要是通过对其产生的______效应进行间接探测的。2.宇宙微波背景辐射的______谱和______各向异性为暗物质的早期形成提供了重要线索。3.根据当前的宇宙学模型，宇宙的总质能密度由普通物质、暗物质和______组成。4.暗能量的主要作用是产生一种______的效应，导致宇宙的加速膨胀。5.冷暗物质模型成功地解释了宇宙大尺度结构的______和______。6.哈勃图是描述星系红移与______之间关系的一种图表，其斜率与宇宙的______有关。7.暗物质晕的密度分布通常遵循______分布函数。8.除了引力相互作用外，暗物质粒子还可能通过______相互作用和______相互作用与普通物质发生作用。三、简答题（每小题5分，共20分。）1.简述引力透镜效应的形成机制及其在暗物质探测中的作用。2.简述宇宙暴胀理论对暗物质形成的影响。3.简述暗能量与宇宙常数的主要区别。4.简述直接探测暗物质和间接探测暗物质的区别。四、论述题（每小题10分，共20分。）1.论述暗物质对星系演化可能产生的影响。2.论述当前暗物质和暗能量研究中面临的主要挑战和未来的研究方向。试卷答案一、选择题1.A解析思路：宇宙微波背景辐射的偏振是宇宙暴胀理论的证据，与暗物质无直接关系。2.C解析思路：冷暗物质模型认为暗物质粒子在早期宇宙中通过引力坍缩形成高密度区域，这些区域成为普通物质形成的种子。3.C解析思路：宇宙的光度距离测量值与理论预测的宇宙模型（包括暗能量）存在显著差异，直接支持了宇宙加速膨胀的结论。4.C解析思路：暗能量的主要特征是其具有负压强，这种负压强产生一种排斥效应，导致宇宙加速膨胀。5.B解析思路：修正引力学说通过修改引力真空能项或引力势能项来解释宇宙加速膨胀，而不需要引入暗能量。6.A解析思路：暗物质粒子（如WIMPs）湮灭或衰变会产生高能粒子对，包括伽马射线，伽马射线暴是寻找这些信号的重要途径。7.C解析思路：暗物质晕模型认为暗物质以球状或椭球状包围着星系，其密度从中心向外逐渐降低。8.B解析思路：粒子对撞机实验可以通过产生暗物质粒子来探测其性质，是目前寻找暗物质粒子的重要方法之一。9.B解析思路：宇宙学常数模型认为暗能量是一种恒定的能量密度，不随时间变化。10.D解析思路：根据当前的宇宙学测量结果，暗物质和暗能量的总质量占宇宙总质能的约95%。二、填空题1.引力解析思路：暗物质不与电磁相互作用，因此难以直接观测，主要通过其产生的引力效应（如引力透镜、引力塌缩）进行间接探测。2.黑体；角解析思路：宇宙微波背景辐射的温度谱符合黑体辐射谱，其角各向异性包含了宇宙早期密度扰动的信息。3.暗能量解析思路：根据当前的宇宙学模型，宇宙的总质能密度由普通物质、暗物质和暗能量三部分组成，其中暗能量占比最大。4.膨胀解析思路：暗能量的主要作用是产生一种排斥效应，导致宇宙的加速膨胀。5.形状；演化解析思路：冷暗物质模型成功地解释了宇宙大尺度结构的形状（filamentarystructure）和演化历史。6.亮度（或距离）；膨胀速率（或哈勃常数）解析思路：哈勃图描述星系红移（与距离或宇宙膨胀速率成正比）与亮度的关系，其斜率反映了宇宙的膨胀速率，即哈勃常数。7.标准球解析思路：暗物质晕的密度分布通常遵循标准球分布函数，即密度在中心处最高，向外逐渐指数衰减。8.弱核；引力解析思路：除了引力相互作用外，暗物质粒子还可能通过弱核相互作用（如WIMP）和引力相互作用与普通物质发生作用。三、简答题1.引力透镜效应是指光线在经过大质量天体（如星系团）时，由于该天体的引力场作用而发生弯曲的现象。当光线经过星系团中心时，会被放大，形成一个放大的虚像。暗物质虽然不发光，但具有质量，会产生引力场，因此可以引起引力透镜效应。通过观测引力透镜效应，可以探测到暗物质的分布，并估算其质量。2.宇宙暴胀理论认为，在宇宙诞生极早期（10的负36次方秒）经历了一个极快速的指数膨胀时期。暴胀期间，密度扰动被放大，这些扰动一部分形成了普通物质，另一部分形成了暗物质。因此，宇宙暴胀理论为暗物质的早期形成提供了重要机制。3.暗能量与宇宙常数的主要区别在于它们随时间的变化。宇宙常数代表一种恒定的能量密度，不随时间变化；而暗能量的性质则较为复杂，有些模型认为暗能量会随时间变化，有些则认为不会。4.直接探测暗物质是指通过建造探测器，直接寻找暗物质粒子与普通物质相互作用的信号，例如WIMPs与nuclei的弹性散射或湮灭产生的信号。间接探测暗物质是指通过观测暗物质可能产生的次级效应来推断其存在，例如伽马射线暴、中微子暴、引力波等。四、论述题1.暗物质对星系演化可能产生以下影响：首先，暗物质晕为星系的形成提供了引力种子，使得星系能够在宇宙早期形成并长大。其次，暗物质晕的存在影响了星系中的恒星形成和星系盘的形成。例如，暗物质晕的引力势能可以驱动气体云向星系中心落入，促进恒星形成。最后，暗物质还可以影响星系合并和星系团的形成过程。2.当前暗物质和