2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 宇宙中的黑暗物质与暗能量：宇宙的秘密力量

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——宇宙中的黑暗物质与暗能量：宇宙的秘密力量考试时间：______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.在星系旋转曲线实验中，星系外缘恒星的轨道速度与距离中心距离的关系是？A.随距离增大而增大B.随距离增大而减小C.随距离增大保持不变D.先增大后减小2.导致宇宙加速膨胀的主要观测证据来自于对哪种天体的光度测量？A.河外星系B.矮星系C.Ia型超新星D.行星状星云3.在Lambda-CDM宇宙学模型中，代表暗能量的参数通常用哪个符号表示？A.ΩmB.ΩΛC.hD.H04.引力透镜效应是由于什么现象引起的？A.恒星内部发生核聚变B.星系团内部气体碰撞C.光线经过大质量天体附近时其路径发生弯曲D.宇宙膨胀导致星系红移5.目前被广泛接受的暗物质直接探测实验主要寻找哪种类型的粒子？A.中微子B.轴子C.弱相互作用大质量粒子（WIMPs）D.光子6.宇宙微波背景辐射（CMB）的哪些特征被用来推断早期宇宙中存在暗物质？A.光谱的精确黑体分布B.偏振信号C.温度功率谱的特定尺度上的峰值位置和幅度D.微弱的红移7.以下哪项技术或观测项目对于探测星系团中暗物质的分布尤为有效？A.紫外线天文观测B.X射线天文观测C.近红外光谱巡天D.甚长基线干涉测量8.如果宇宙中不存在暗物质，根据经典引力理论预测，星系团中的星系运动会？A.比实际观测的速度快B.比实际观测的速度慢C.完全静止D.沿轨道逃逸9.暗能量的一个关键特征是它具有什么性质，导致了宇宙的加速膨胀？A.正压强B.负压强C.中性压强D.无压强10.空间望远镜在研究暗物质和暗能量方面相比地面望远镜的主要优势可能在于？A.可以观测更暗弱的天体B.可以观测整个天空C.可以避免大气抖动和吸收的影响D.可以进行更高分辨率的成像二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在横线上。）1.暗物质通常被认为主要通过______相互作用与普通物质发生作用，因此难以直接探测。2.宇宙加速膨胀的证据主要来自于对______型超新星的视向速度和距离的测量。3.冷暗物质（CDM）模型是当前解释大尺度结构形成的主流理论，其中“冷”指的是暗物质粒子的______较小。4.引力透镜效应可以使我们“看到”暗物质，因为它揭示了暗物质具有______。5.宇宙微波背景辐射是宇宙诞生后约______秒时发出的最后一道“余晖”。6.空间探测暗物质的技术方法主要包括直接探测、______探测和引力信号探测等。7.暗能量被认为是填充整个宇宙并导致宇宙加速膨胀的一种______能量形式。8.宇宙学参数Ωm（物质密度参数）和ΩΛ（暗能量密度参数）的测量对于理解宇宙的______至关重要。9.暗物质晕通常被认为包围着星系，其质量往往是可见星系质量的______倍以上。10.理解暗物质和暗能量的本质是现代宇宙学的______挑战之一。三、名词解释（每小题3分，共15分。请给出简洁、准确的定义。）1.暗物质2.宇宙加速膨胀3.Lambda-CDM模型4.星系旋转曲线5.引力透镜四、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述星系旋转曲线的观测结果及其对暗物质存在的支持。2.提出至少两种探测暗物质存在的间接证据。3.解释为什么宇宙微波背景辐射的观测对于研究早期宇宙和暗物质具有重要意义。4.简述暗能量可能具有的几种理论形式。五、论述题（10分。请结合所学知识，深入探讨以下问题。）结合空间观测技术在其中的作用，论述如何从不同方面寻找暗物质和暗能量的证据，并分析当前面临的主要挑战。试卷答案一、选择题1.C2.C3.B4.C5.C6.C7.B8.B9.B10.C二、填空题1.弱2.Ia3.自由程4.质量5.38万6.间接7.等离子体（或真空）8.结构和命运9.几倍到十倍10.基础三、名词解释1.暗物质：不发光、不与电磁波相互作用、只通过引力影响普通物质的物质形态，其存在通过其引力效应被间接推断。2.宇宙加速膨胀：观测发现宇宙的膨胀速度在不断增加，这表明存在一种具有负压强的能量（暗能量）驱动着宇宙加速膨胀。3.Lambda-CDM模型：目前最被广泛接受的宇宙学模型，其中Lambda代表暗能量项，CDM代表冷暗物质，该模型认为宇宙由约27%的暗物质、68%的暗能量和5%的普通物质组成。4.星系旋转曲线：描述星系不同半径处恒星或气体云的旋转速度与半径关系的曲线。观测发现外缘恒星的旋转速度远超仅由可见物质产生的引力所能维持的速度。5.引力透镜：大质量天体（如星系团）的引力场会弯曲其背后更遥远天体发出的光线，如同透镜一样，这种现象可用于探测暗物质，因为暗物质分布也会产生引力透镜效应。四、简答题1.观测显示，星系外缘恒星的旋转速度基本保持不变，并不随距离中心增大而减小，这与仅考虑可见物质产生的引力预测相悖。为了解释外缘恒星的足够高速度，必须在星系周围存在大量不可见的暗物质，其引力提供了额外的向心力。星系旋转曲线是暗物质存在的最早、最直接的证据之一。2.探测暗物质的间接证据主要有：①引力透镜效应，观测到强透镜系统中引力透镜弧斑的分布与可见物质分布不一致，暗示存在暗物质晕；②宇宙大尺度结构的形成和演化，计算机模拟表明，只有引入暗物质作为引力“骨架”，才能合理地解释观测到的大尺度结构的形成时间和形态；③引力波源，某些类型的引力波事件（如双中子星并合）可能产生可探测的“潮汐波”，这可能与暗物质粒子湮灭或衰变产生。3.宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙诞生后约38万年的“余晖”，此时宇宙已冷却到允许光子自由传播。CMB的温度涨落（各向异性）记录了早期宇宙的密度扰动。这些扰动在引力作用下逐渐增长，形成了我们今天观测到的宇宙大尺度结构。CMB温度涨落功率谱在特定尺度上的峰值位置和幅度，与包含暗物质和暗能量的宇宙学模型预测高度吻合，因此观测CMB有助于精确测量暗物质和暗能量的含量。4.暗能量的理论形式尚不明确，主要有：①宇宙学常数（Λ），认为暗能量是真空能量，是一种恒定不随时空变化的能量密度；②标量场（如quintessence），认为暗能量是由一种具有动态能量密度和压强的标量场（幽灵能量）构成的；③修正引力理论，认为暗物质和暗能量的引力效应可以通过修改广义相对论来实现，例如将引力势能项替换为标量场。五、论述题寻找暗物质和暗能量的证据是一个多方面、跨学科的努力，空间观测技术在其中扮演着至关重要的角色。寻找暗物质证据的主要途径包括：利用引力效应进行探测。①引力透镜：通过观测星系团或其他大质量天体背后遥远天体的光线路径弯曲，可以推断出暗物质分布，空间望远镜（如Hubble,JWST）的高分辨率成像能力对于精确测量透镜效应至关重要。②星系和星系团动力学：通过测量星系旋转曲线、星系团内星系的速度弥散等，推断出远超可见物质的质量。空间红外望远镜有助于观测遥远星系团。③直接探测：部署在地面或空间（如费米太空望远镜）的高灵敏度探测器试图直接捕捉暗物质粒子与普通物质碰撞产生的信号。空间平台可提供更纯净的环境以减少backgrounds。④间接探测：寻找暗物质粒子湮灭或衰变产生的次级粒子，如伽马射线、中微子或反物质。空间伽马射线望远镜（如费米、慧眼）和中微子天文台（如冰立方、安伽斯）是主要的探测工具，它们能覆盖广阔天区，探测来自暗物质富集区域的信号。寻找暗能量证据主要依赖于观测宇宙学。①宇宙加速膨胀：这是暗能量的核心证据。通过精确测量Ia型超新星（作为标准烛光）的距离和视向速度，空间望远镜（如哈勃、斯皮策、JWST）提供了关键数据。通过测量大尺度结构的宇宙学距离关系，也能推断加速膨胀。②测量宇宙微波背景辐射：空间CMB探测器（如COBE,WMAP,Planck,慧眼）提供了关于早期宇宙和宇宙整体能量组成的精确信息，其温度涨落谱是检验暗物质和暗能量含量的关键。③绘制宇宙距离-红移关系：综合使用超新星、宇宙学距离标度（如由CMB或巴德-林德德尔夫关系给出）等数据绘制距离-红移关系，其斜率和曲率反映了物质密度和暗能量密度随时间的变化，空间观测的精度提升对此至关重要。当前面临的主要挑战包括：①暗物质的本质未知：我们不知道暗物质是由什么粒子构成的，直接探测尚未获得明确信号，间接探测的证据也尚有争议且需要排除backgrounds。②暗能量的性质不明：暗能量的能量密度和压强性质（特别是负压强）是固定的还是随时间变化的（quintessence模型）仍是谜团。③理论模型与观测的匹配：目前的Lambda-CDM模型虽然成功解释了多数观测