2025年大学《天文学》专业题库- 暗能量与宇宙加速膨胀

2025年大学《天文学》专业题库——暗能量与宇宙加速膨胀考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填在括号内。每小题2分，共20分）1.以下哪项观测证据是目前认为支持宇宙加速膨胀的最主要依据？A.宇宙微波背景辐射的各向异性B.恒星演化理论预测C.超新星Ia型变星的光度测光数据D.星系团质量分布的观测2.在标准宇宙学模型（ΛCDM）中，代表暗能量的项通常用哪个符号表示？A.ρ_mB.ρ_rC.ρ_de或ΛD.ρ_b3.导致宇宙加速膨胀的暗能量特性，通常用哪个参数来描述？A.哈勃常数H_0B.视宁度距离d_LC.惯性质量mD.振动模态标度因子w4.超新星Ia型变星常被用作“标准烛光”测量宇宙距离，其主要优势在于其光度值具有很高的？A.波动性B.不确定度C.统一性（对于相同视星等）D.衰减率5.宇宙微波背景辐射（CMB）的角功率谱峰值位置与宇宙的哪些参数密切相关？A.宇宙年龄和物质密度B.哈勃常数和暗能量密度C.光速和普朗克常数D.引力常数和光行距离6.如果宇宙中仅存在物质（不包括暗能量和辐射），其膨胀将最终如何？A.加速膨胀B.减速膨胀直至停止然后收缩C.以恒定速率膨胀D.静态不变7.引力透镜效应是由于什么原因导致的？A.星系际介质对光的吸收B.星系团内部暗物质分布不均引起的光线路径弯曲C.宇宙尘埃对光的散射D.超新星爆发产生的冲击波8.ΛCDM模型中，参数w代表暗能量的哪种性质？A.密度占比B.压强与能量的比值C.能量密度随时间的变化率D.与暗能量相关的引力常数9.所谓的“标准标尺”方法，主要是利用什么现象来测量宇宙距离？A.光的色散B.引力透镜导致的图像扭曲C.宇宙膨胀导致的视线红移与距离的关系D.超新星爆发的闪光持续时间10.暗能量的存在对宇宙的最终命运有何重要影响？A.不会影响，宇宙将缓慢减速直至停止B.可能导致宇宙进入永久的减速膨胀状态C.可能引发“大撕裂”或“大坍缩”D.将使宇宙快速收缩，最终坍缩成一个奇点二、填空题（请将答案填在横线上。每空2分，共20分）1.宇宙加速膨胀是指宇宙的膨胀速率随时间________，或者说宇宙空间的________在增加。2.超新星Ia型变星由于其形成的物理机制相似，在爆炸时具有相对________的绝对星等，因此可作为“标准烛光”。3.宇宙微波背景辐射是宇宙早期（约38万年前）炽热等离子体冷却后发出的残余辐射，其温度约为________K。4.标准宇宙学模型（ΛCDM）中，宇宙的总能量密度近似等于临界能量密度的条件是________。5.暗能量的能量密度随宇宙膨胀是________（选填“增加”、“减少”或“保持不变”）。三、名词解释（请给出下列名词的准确定义或解释。每小题4分，共16分）1.视宁度距离(NumeratorDistance)2.光行距离(ProperDistance)3.宇宙方程(CosmologicalEquation)4.角功率谱(AngularPowerSpectrum)四、简答题（请简要回答下列问题。每小题6分，共24分）1.简述利用超新星Ia型变星作为“标准烛光”测量宇宙距离的基本原理。2.简述宇宙微波背景辐射的偏振信息可能包含哪些关于早期宇宙和暗能量的重要物理信息。3.标准的ΛCDM模型是如何解释宇宙加速膨胀现象的？其中暗能量（Λ或ρ_de）扮演了什么角色？4.列举至少三种宇宙加速膨胀的主要观测证据，并简要说明每种证据所提供的信息。五、论述题（请就下列问题进行较为深入的论述。共20分）结合观测事实和理论模型，讨论暗能量的基本性质、可能存在的物理机制，以及当前暗能量研究面临的主要挑战和未来的发展方向。试卷答案一、选择题1.C2.C3.D4.C5.A6.B7.B8.B9.C10.A二、填空题1.增加/体积膨胀率2.固定/绝对3.2.74.ρ_m+ρ_de=ρ_c(或者ρ_m/ρ_c+ρ_de/ρ_c=1)5.增加三、名词解释1.视宁度距离：指光源到观察者之间光在“现在”传播的实际空间距离。由于宇宙膨胀，光线从光源发出到达观察者经历了时间，光源在此期间已移动，因此视宁度距离通常小于光行距离。2.光行距离：指光线在宇宙早期从光源发出到达观察者时，光源与观察者之间的空间距离。它考虑了宇宙膨胀在整个光传播过程中的影响。3.宇宙方程：描述宇宙动力学状态的基本方程，通常写作H²=8πG/3*(ρ_m+ρ_r+ρ_Λ)，其中H是哈勃参数，G是引力常数，ρ_m是物质密度，ρ_r是辐射密度，ρ_Λ是与暗能量相关的项（或Λ代表宇宙常数）。该方程反映了宇宙的总能量密度、曲率以及膨胀速率之间的关系。4.角功率谱：对宇宙微波背景辐射（CMB）在天空不同角度上的温度涨落进行功率谱分析得到的结果。它展示了温度涨落强度随角度尺度（角距离）变化的规律。角功率谱的不同峰值位置和高度包含了关于宇宙早期物理性质（如物质密度、辐射密度、哈勃参数、宇宙年龄等）以及暗能量和修正引力的信息。四、简答题1.超新星Ia型变星由于其形成的物理机制（白矮星吸积物质达到钱德拉塞卡极限）高度相似，其爆炸时的绝对星等（亮度）在理论上具有很高的统一性。通过测量超新星的光度（亮度）和视星等（观测到的亮度），可以利用光度距离公式（L=4πd_L²*(m-M)）反推出超新星到地球的距离d_L。通过测量不同距离处超新星的视向速度（由红移量z推知），可以绘制出哈勃图（距离-红移关系）。如果该关系呈现线性且斜率接近哈勃常数H_0，则证实了宇宙的加速膨胀或至少是减速膨胀的观测结果，从而为加速膨胀提供了证据。2.CMB的偏振包含两种类型：E模偏振和B模偏振。E模偏振主要源于早期宇宙的等离子体不均匀性对CMB光波的扰动。B模偏振则具有“球谐函数的旋量形式”，其存在是宇宙存在原始引力波背景的直接证据，也是许多宇宙学模型（如原初引力）预测的重要结果。B模偏振的探测对于区分暗能量的性质（如是否具有负压强）至关重要，因为不同的暗能量模型可能导致宇宙的声速结构（与B模偏振相关）有所不同。此外，CMB偏振还可能携带关于早期宇宙中极性分子形成的线索。因此，精确测量CMB偏振，特别是寻找微弱的B模信号，对于理解暗能量的本质和早期宇宙物理至关重要。3.标准的ΛCDM模型解释宇宙加速膨胀现象的关键在于引入了具有负压强的暗能量。该模型认为宇宙的总能量密度由物质密度（包括普通物质和冷暗物质）和暗能量密度构成。当暗能量密度占主导地位时（如目前），其负压强会对抗物质间的引力，导致宇宙空间的膨胀加速。在ΛCDM模型中，暗能量通常被建模为一种常数项能量密度（Λ，即宇宙常数），其对应的压强为负无穷大，始终提供斥力。另一种形式是动态暗能量模型，其能量密度或压强随时间变化（例如具有负压强但能量密度减小的标量场），也能解释加速膨胀。无论哪种形式，负压强是驱动宇宙加速膨胀的核心机制。4.1.超新星Ia型变星的光度测光：通过测量不同距离超新星的光度（亮度）和视星等，绘制哈勃图。如果哈勃图呈现线性且斜率（即哈勃常数H_0）不随距离变化或表明膨胀在加速，则支持宇宙加速膨胀。这是目前最直接的证据。2.宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性：CMB的角功率谱峰值位置对宇宙的几何形状、物质密度和哈勃参数等高度敏感。最新的观测数据（如Planck卫星结果）显示，CMB峰值位置与标准ΛCDM模型的预测高度吻合，并且暗示宇宙是平坦的，物质密度接近临界密度，同时存在显著的暗能量密度。这表明宇宙在早期经历了减速膨胀，但在近期转变为加速膨胀。3.大尺度结构的观测：宇宙中大尺度结构的形成和演化受到引力（物质）和斥力（暗能量）的共同影响。通过观测星系团、超星系团的空间分布、团簇的X射线发射（提供总质能密度）以及引力透镜效应，可以推断宇宙的膨胀历史和物质能量组成。这些观测结果与需要暗能量来解释的ΛCDM模型相符。五、论述题暗能量是现代宇宙学的核心谜团之一，其基本性质和物理机制仍是科学前沿研究的重点。从观测上看，暗能量表现为一种导致宇宙加速膨胀的、具有负压强的能量形式。标准宇宙学模型通过引入常数项暗能量（Λ，即宇宙常数）或动态暗能量场（其压强或能量密度随时间变化），成功解释了当前的观测结果（如超新星、CMB、大尺度结构）。暗能量的关键性质是其负压强，这使得它在局部区域产生与引力相反的斥力，驱动宇宙加速膨胀。暗能量的能量密度似乎自宇宙大爆炸以来保持相对恒定（如果是Λ）或以特定方式变化（如果是动态模型），使其在宇宙中占比不断增加。关于暗能量的物理机制，目前尚无定论。主要的理论方向包括：1.quintessence模型：提出一种随时间演化的标量场作为暗能量的载体，其动力学行为由标量场的势能驱动，可以解释暗能量密度随时间的变化。2.修正引力量子（ModifiedGravity,MG）：修改广义相对论的基本形式，以解释暗能量的效应，而不需要引入额外的能量成分。例如，将引力势能项加入爱因斯坦场方程，或者假设存在第五种力。这类模型试图从更深层次的物理理论（如量子引力）出发。3.宇宙学常数：认为暗能量就是真空能密度（Λ），其来源可能涉及量子场论真空能的量子修正（如霍金辐射）或宇宙学原理中的未知项。但目前的理论预测真空能密度远大于观测值，存在“暴胀”问题。当前暗能量研究面临的主要挑战包括：1.测量精度：当前对暗能量的测量（特别是w参数，即暗能量压强与其能量密度的比值）仍有不确定性，需要更高精度的观测数据来区分不同模型。2.理论模型：缺乏一个被广泛接受的、能够自洽地解释暗能量所有观测特征（如其存在、性质和演化）的理论框架。3.基本性质：暗能量是否具有质量？其相互作用如何（与普通物质、辐射、引力的耦合）？这些都尚不清楚。4.早期宇宙信号：期待从CMB偏振、B模信号等早期宇宙观测中寻找关于暗能量或修正引力的直接证据，但探测难度极大。未来的发展方向将集中于：1.多信使天文学：