2026年天文竞赛星系红移现象分析练习题及解析

2026年天文竞赛星系红移现象分析练习题及解析一、选择题（共5题，每题2分，共10分）1.关于星系红移现象的描述，下列哪项是正确的？A.红移现象仅发生在距离地球较远的星系中B.红移现象是由于星系在空间中远离地球而导致的C.红移现象只能通过光谱线的蓝移来观测D.红移现象与星系的质量直接相关2.哈勃定律描述了星系红移与距离的关系，其数学表达式为v=H₀d，其中H₀代表什么？A.星系的视星等B.星系的绝对星等C.哈勃常数D.红移系数3.多普勒效应在星系红移现象中的应用，下列说法正确的是？A.红移现象仅适用于电磁波，不适用于引力波B.蓝移现象是红移现象的逆过程C.红移和蓝移现象均由星系相对地球的运动引起D.红移现象只能解释星系在空间中的运动，不能解释宇宙膨胀4.宇宙微波背景辐射的红移值约为z=1100，这意味着该辐射起源于宇宙大爆炸后的多长时间？A.大爆炸发生后的38万年B.大爆炸发生后的138亿年C.宇宙半径为当前宇宙半径的1/1100时D.宇宙年龄的一半5.以下哪种方法可以用来测量星系的红移值？A.直接测量星系的光度B.分析星系光谱中的吸收线或发射线C.通过星系的几何形状来判断D.测量星系的自转速度二、填空题（共5题，每题2分，共10分）1.星系红移现象通常用红移值z来表示，其定义为光谱线波长偏移的量。2.哈勃常数H₀的单位通常是千米每秒每兆秒差距（km/s/Mpc）。3.宇宙微波背景辐射的红移值z=1100，表明该辐射的波长在原始状态下是当前观测到的11倍。4.红移现象的解释基于爱因斯坦的广义相对论和多普勒效应。5.在星系光谱中，由于红移导致吸收线向光谱的长波端移动。三、简答题（共5题，每题4分，共20分）1.简述星系红移现象的定义及其观测依据。要求：解释红移现象的物理意义，并说明如何通过光谱线偏移进行观测。2.哈勃定律的内容及其在天文学中的作用是什么？要求：描述哈勃定律的数学表达式，并说明其在宇宙膨胀研究中的重要性。3.多普勒效应如何解释星系红移现象？要求：阐述多普勒效应的基本原理，并说明其在星系红移中的应用。4.宇宙微波背景辐射的红移值z=1100的物理意义是什么？要求：解释该红移值如何反映宇宙大爆炸的早期状态。5.红移值z与星系退行速度v之间的关系如何？要求：说明哈勃定律中v=H₀d的推导过程，并解释H₀的物理意义。四、计算题（共3题，每题6分，共18分）1.已知某星系的红移值z=0.5，求该星系的退行速度v（假设哈勃常数H₀=70km/s/Mpc，且距离d=1Mpc）。要求：列出计算公式，并给出最终结果。2.观测到某星系的光谱线在可见光区域（波长550nm）发生了0.1nm的红移，求该星系的红移值z。要求：使用红移公式λ_obs=λ_em(z)进行计算，并说明结果。3.假设宇宙膨胀的哈勃常数H₀=67km/s/Mpc，且某星系的红移值z=2，求该星系的距离d。要求：结合哈勃定律和红移公式进行计算，并给出最终结果。五、论述题（共2题，每题8分，共16分）1.论述星系红移现象对宇宙膨胀理论的重要性。要求：解释红移现象如何支持宇宙膨胀模型，并说明其在宇宙学中的地位。2.比较红移现象与蓝移现象的区别，并举例说明蓝移现象的观测实例。要求：分析红移和蓝移的物理机制差异，并给出实际观测案例。答案及解析一、选择题答案及解析1.B解析：红移现象是指星系光谱线向长波端移动，通常由星系远离地球的退行运动引起。选项A错误，红移现象在近处星系也存在；选项C错误，红移和蓝移均可观测；选项D错误，红移与星系质量无直接关系。2.C解析：哈勃定律描述星系退行速度v与距离d成正比，比例系数H₀为哈勃常数，代表宇宙膨胀速率。3.B解析：蓝移是红移的逆过程，均由相对运动引起；选项A错误，多普勒效应适用于所有波；选项C错误，红移还可能由宇宙膨胀引起；选项D错误，红移可解释宇宙膨胀。4.B解析：宇宙微波背景辐射的红移z=1100对应大爆炸后约38万年的状态，此时宇宙已冷却至允许光子自由传播。5.B解析：通过分析光谱线偏移可定量测量红移值；选项A、C、D均无法直接测量红移。二、填空题答案及解析1.红移值z解析：红移值定义为光谱线波长偏移量，通常用z表示，z=(λ_obs-λ_em)/λ_em。2.千米每秒每兆秒差距解析：哈勃常数H₀的单位为km/s/Mpc，表示每兆秒差距（1Mpc=3.26亿光年）距离对应的退行速度。3.11倍解析：红移z=1100意味着原始波长λ_em是当前观测到的λ_obs的11倍。4.广义相对论和多普勒效应解析：红移现象的解释结合了爱因斯坦的宇宙学模型和多普勒效应的频率偏移原理。5.长波端解析：红移使光谱线向光谱的红端（长波）移动，蓝移则向短波端移动。三、简答题答案及解析1.星系红移现象的定义及其观测依据答：星系红移现象是指星系光谱线向长波端移动的现象，通常由星系远离地球的退行运动引起。观测依据是分析光谱线相对于实验室参考谱的偏移量，通过测量吸收线或发射线的波长变化来确定红移值。2.哈勃定律的内容及其在天文学中的作用答：哈勃定律描述星系退行速度v与距离d成正比，数学表达式为v=H₀d，其中H₀为哈勃常数。该定律支持宇宙膨胀模型，是宇宙学研究的基石。3.多普勒效应如何解释星系红移现象答：多普勒效应描述波源与观察者相对运动时频率的变化。星系远离地球时，光波被“拉伸”，频率降低，波长增加，表现为红移；反之，靠近地球则蓝移。4.宇宙微波背景辐射的红移值z=1100的物理意义答：z=1100表明宇宙微波背景辐射起源于大爆炸后约38万年的状态，此时宇宙已冷却至允许光子自由传播，形成cmb。5.红移值z与星系退行速度v之间的关系答：根据哈勃定律，v=H₀d，结合红移公式λ_obs=λ_em(1+z)，可得v≈H₀d，说明红移值与退行速度成正比。四、计算题答案及解析1.计算退行速度v解：v=H₀d=70km/s/Mpc×1Mpc=70km/s。答：退行速度v=70km/s。2.计算红移值z解：红移公式λ_obs=λ_em(1+z)，z=(λ_obs/λ_em-1)=(550.1nm/550nm-1)≈0.0018。答：红移值z≈0.0018。3.计算距离d解：d=v/H₀=zH₀=2×67km/s/Mpc=134Mpc。答：距离d=134Mpc。五、论述题答案及解析1.星系红移现象对宇宙膨胀理论的重要性答：红移现象是宇宙膨胀的直接证据，表明星系在空间中远离地球。哈勃定律基于红移观测，推导出宇宙膨胀模型，进而支持大爆炸理论。红移值随距离增加而增大，验证了宇宙膨胀的均匀性。2.