宇宙新概念MOOC期末试题及答案

宇宙新概念MOOC期末试题及答案

一、单选题（每题2分，共20分）

1.关于宇宙膨胀的描述，以下正确的是（）（2分）A.宇宙膨胀是指星系在空间中相互远离B.宇宙膨胀是指星系自身在膨胀C.宇宙膨胀与哈勃常数无关D.宇宙膨胀是局部现象，仅发生在本星系群【答案】A【解析】宇宙膨胀是指宇宙空间本身随时间膨胀，导致星系间距离增大，与哈勃常数直接相关

2.暗能量的主要特征不包括（）（2分）A.具有负压强效应B.不与普通物质发生相互作用C.可以通过观测直接测量D.可能占宇宙总质能的70%【答案】C【解析】暗能量不与普通物质发生相互作用，主要通过引力效应体现，目前无法直接观测

3.以下哪项不是广义相对论的主要预言？（）（2分）A.光线在引力场中弯曲B.水星近日点的进动C.黑洞的存在D.宇宙微波背景辐射【答案】D【解析】宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的残余辐射，与广义相对论直接无关

4.星系团的尺度通常在（）（2分）A.几十光年到几百光年B.几千光年到几万光年C.几十万光年到几百万光年D.几十亿光年到万亿光年【答案】C【解析】星系团是包含数千个星系的空间结构，尺度通常在百万光年量级

5.宇宙年龄的目前最佳估计值约为（）（2分）A.138亿年B.46亿年C.100亿年D.200亿年【答案】A【解析】根据宇宙微波背景辐射和其他观测数据，宇宙年龄的目前最佳估计值为138亿年

6.以下哪种宇宙模型支持大坍缩理论？（）（2分）A.开放宇宙模型B.平坦宇宙模型C.封闭宇宙模型D.混沌宇宙模型【答案】C【解析】封闭宇宙模型认为宇宙总密度大于临界密度，最终会停止膨胀并开始坍缩

7.关于系外行星的探测方法，以下正确的是（）（2分）A.直接成像法适用于所有系外行星B.凌日法无法探测到气态巨行星C.径向速度法主要探测类地行星D.微引力透镜法依赖于双星系统【答案】D【解析】微引力透镜法需要双星系统作为背景光源，通过引力透镜效应探测系外行星

8.宇宙弦理论中，宇宙弦的主要作用是（）（2分）A.解释暗物质分布B.产生宇宙微波背景辐射C.形成星系旋臂结构D.驱动宇宙加速膨胀【答案】A【解析】宇宙弦理论认为宇宙弦的振动可以产生引力波，影响暗物质分布

9.以下哪个天体不属于恒星？（）（2分）A.参宿四B.天狼星C.月球D.织女星【答案】C【解析】月球是地球的天然卫星，不是自身发光的恒星

10.关于黑洞的描述，以下错误的是（）（2分）A.事件视界是黑洞的边界B.黑洞质量可以超过太阳的数倍C.黑洞内部不存在时空D.霍金辐射与黑洞热力学有关【答案】C【解析】黑洞内部存在极端的时空弯曲，遵循广义相对论

二、多选题（每题4分，共20分）

1.以下哪些现象支持宇宙膨胀理论？（）（4分）A.哈勃-勒梅特定律B.宇宙微波背景辐射的各向异性C.星系红移现象D.超新星观测E.星系团引力透镜效应【答案】A、C、D【解析】哈勃-勒梅特定律、星系红移和超新星观测直接支持宇宙膨胀理论

2.暗物质的主要证据包括（）（4分）A.星系旋转曲线异常B.星系团引力透镜效应C.宇宙微波背景辐射偏振D.大尺度结构的形成E.黑洞吸积盘观测【答案】A、B、D【解析】暗物质的主要证据来自星系旋转曲线、星系团引力透镜效应和宇宙大尺度结构

3.广义相对论的实验验证包括（）（4分）A.光线在引力场中的弯曲B.水星近日点的进动C.引力红移现象D.引力波探测E.宇宙膨胀观测【答案】A、B、C【解析】广义相对论的实验验证包括光线弯曲、水星进动和引力红移

4.系外行星探测方法的优势与局限性包括（）（4分）A.凌日法对气态巨行星敏感B.径向速度法受金属丰度限制C.微引力透镜法成本高D.直接成像法对热星系适用E.凌日法无法探测自转较快的恒星【答案】A、B、C【解析】凌日法对气态巨行星敏感，径向速度法受金属丰度限制，微引力透镜法需要双星系统且成本高

5.宇宙弦理论预测的物理现象包括（）（4分）A.高能粒子加速B.非引力相互作用C.宇宙微波背景辐射各向异性D.星系形成异常E.黑洞形成【答案】A、C、D【解析】宇宙弦理论预测高能粒子加速、宇宙微波背景辐射各向异性和星系形成异常

三、填空题（每题4分，共20分）

1.宇宙的几何形状由______和______决定（4分）【答案】宇宙总密度；暗能量密度【解析】宇宙几何形状由总密度（包括暗物质和暗能量）与临界密度的比值决定

2.哈勃常数目前的标准值为______千米/秒/兆秒差距（4分）【答案】

67.4【解析】哈勃常数目前的标准值为

67.4千米/秒/兆秒差距，反映宇宙膨胀速率

3.暗物质主要通过______和______与普通物质相互作用（4分）【答案】引力相互作用；弱相互作用【解析】暗物质主要通过引力相互作用和可能的弱相互作用与普通物质发生联系

4.黑洞的事件视界半径与质量关系为______（4分）【答案】R=2GM/c²【解析】根据广义相对论，黑洞事件视界半径与质量成正比，与光速平方成反比

5.宇宙弦理论中，宇宙弦的张力与______有关（4分）【答案】弦的动量密度【解析】宇宙弦的张力与其动量密度成正比，反映了弦的内在物理性质

四、判断题（每题2分，共10分）

1.宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的直接证据（）（2分）【答案】（√）【解析】宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的残余辐射，是直接证据

2.所有星系都位于星系团中（）（2分）【答案】（×）【解析】星系团包含数千个星系，但不是所有星系都位于星系团中

3.暗能量密度在宇宙中是均匀分布的（）（2分）【答案】（√）【解析】暗能量密度被认为是宇宙学常数，在空间中均匀分布

4.黑洞内部的奇点是时空和物理定律失效的地方（）（2分）【答案】（√）【解析】黑洞奇点是广义相对论预测的时空和物理定律失效的点

5.系外行星的凌日法观测需要地球位于恒星和行星之间（）（2分）【答案】（√）【解析】凌日法需要地球、恒星和行星排成一线，地球位于恒星和行星之间

五、简答题（每题5分，共15分）

1.简述宇宙膨胀的观测证据（5分）【答案】

（1）哈勃-勒梅特定律星系距离越远，红移量越大，表明宇宙在膨胀

（2）宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的残余辐射，支持宇宙膨胀理论

（3）超新星观测标准烛光超新星观测证实宇宙膨胀正在加速

（4）大尺度结构宇宙中星系团和超星系团的分布模式与膨胀模型一致

2.解释暗物质的主要候选者及其观测证据（5分）【答案】

（1）弱相互作用大质量粒子（WIMPs）理论上可能通过引力相互作用被探测到，主要候选者包括中性希格斯玻色子

（2）轴子理论上的自旋-1矢量玻色子，可能通过引力透镜效应被探测

（3）恒星质量暗物质可能由褐矮星或未知的恒星形成天体组成观测证据包括-星系旋转曲线异常星系外围的星体运动速度超出可见物质支撑范围-星系团引力透镜效应星系团中的暗物质导致光线弯曲-大尺度结构的形成暗物质可能影响了宇宙结构的形成

3.简述广义相对论的主要预言及其实验验证（5分）【答案】主要预言

（1）光线在引力场中弯曲光线经过大质量天体附近时会发生弯曲

（2）水星近日点的进动水星轨道近日点存在额外的进动，与广义相对论预测一致

（3）引力红移光在强引力场中频率降低，导致光谱红移

（4）引力波加速运动的黑洞或中子星会产生引力波实验验证-光线弯曲1919年日食观测证实星光经过太阳附近时弯曲-水星进动水星近日点进动与广义相对论预测吻合-引力红移实验中观测到原子钟在强引力场中的频率变化-引力波LIGO实验首次直接探测到黑洞并合产生的引力波

六、分析题（每题10分，共20分）

1.分析宇宙弦理论对宇宙演化的影响（10分）【答案】宇宙弦理论认为宇宙早期存在高能弦振动，这些弦的振动可以产生引力波和标准模型粒子，对宇宙演化产生重要影响

（1）早期宇宙的扰动宇宙弦的振动可以产生宇宙微波背景辐射的各向异性，解释观测到的温度涨落

（2）暗物质的形成宇宙弦的振动可以形成引力势阱，促进暗物质的形成和聚集

（3）星系结构的形成宇宙弦的振动可能影响了星系和星系团的分布，解释观测到的某些大尺度结构特征

（4）高能粒子加速宇宙弦的振动可以产生高能粒子，解释宇宙射线中的超高能粒子来源

（5）非引力相互作用宇宙弦可能存在非引力相互作用，解释某些无法用标准模型解释的宇宙现象

2.分析系外行星探测方法的优缺点及其未来发展方向（10分）【答案】系外行星探测方法

（1）凌日法优点对气态巨行星敏感，可以测量行星半径和轨道参数缺点仅适用于特定角度的行星系统，观测效率低未来发展方向结合空间望远镜技术，提高观测精度和效率

（2）径向速度法优点可以探测到类地行星，测量行星质量缺点受金属丰度限制，难以探测低质量行星未来发展方向结合光谱分析技术，提高对低质量行星的探测能力

（3）微引力透镜法优点不依赖恒星特性，可以探测到遥远星系中的行星缺点观测机会随机，难以重复观测未来发展方向结合多望远镜联合观测，提高观测效率和样本积累

（4）直接成像法优点可以观测行星本身，获取行星光谱信息缺点对热星系和低质量行星不敏感，观测难度大未来发展方向结合自适应光学和红外技术，提高观测分辨率和灵敏度综合未来发展方向多方法联合观测、空间望远镜技术发展、人工智能数据分析，将显著提高系外行星探测能力和样本积累

七、综合应用题（每题25分，共50分）

1.结合哈勃常数和宇宙年龄，推导宇宙的几何形状（25分）【答案】推导宇宙几何形状

（1）哈勃常数定义H₀=v/d，其中v是星系红移速度，d是距离

（2）宇宙年龄t₀=1/H₀，其中H₀是哈勃常数

（3）宇宙几何形状由总密度ρ与临界密度ρ_c的比值决定-ρρ_c开放宇宙，负曲率，无限大-ρ=ρ_c平坦宇宙，零曲率，有限无界-ρρ_c封闭宇宙，正曲率，有限有界

（4）根据哈勃常数和宇宙年龄，可以估算总密度-ρ=3H₀²/8πG，其中G是引力常数

（5）比较ρ与ρ_c，可以确定宇宙几何形状-如果ρ/ρ_c1，开放宇宙-如果ρ/ρ_c=1，平坦宇宙-如果ρ/ρ_c1，封闭宇宙

（6）实际观测表明，宇宙总密度接近临界密度，因此宇宙可能是平坦的或接近平坦的

2.结合暗物质和暗能量的观测证据，分析宇宙的未来命运（25分）【答案】宇宙未来命运分析

（1）暗物质和暗能量的观测证据-暗物质星系旋转曲线异常、星系团引力透镜效应、大尺度结构形成-暗能量宇宙加速膨胀、超新星观测

（2）暗能量与宇宙加速膨胀-暗能量可能是一种具有负压强的物质，导致宇宙加速膨胀-暗能量密度被认为是宇宙学常数，在空间中均匀分布

（3）宇宙的未来命运-如果暗能量密度保持不变（宇宙学常数），宇宙将永远膨胀，最终冷却成接近绝对零度的黑暗空间-如果暗能量密度随时间变化，宇宙的膨胀命运可能更加复杂，可能经历再收缩或持续膨胀

（4）观测证据表明，暗能量密度在宇宙中占主导地位，因此宇宙可能将持续加速膨胀，最终冷却成黑暗空间

（5）未来研究方向-进一步探测暗物质和暗能量的性质-精确测量暗能量密度随时间的变化-研究暗物质和暗能量的相互作用机制---标准答案

一、单选题

1.A

2.C

3.D

4.C

5.A

6.C

7.D

8.A

9.C

10.C

二、多选题

1.A、C、D

2.A、B、D

3.A、B、C

4.A、B、C

5.A、C、D

三、填空题

1.宇宙总密度；暗能量密度

2.

67.

43.引力相互作用；弱相互作用

4.R=2GM/c²

5.弦的动量密度

四、判断题

1.√

2.×

3.√

4.√

5.√

五、简答题

1.宇宙膨胀的观测证据

（1）哈勃-勒梅特定律星系距离越远，红移量越大，表明宇宙在膨胀

（2）宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的残余辐射，支持宇宙膨胀理论

（3）超新星观测标准烛光超新星观测证实宇宙膨胀正在加速

（4）大尺度结构宇宙中星系团和超星系团的分布模式与膨胀模型一致

2.解释暗物质的主要候选者及其观测证据

（1）弱相互作用大质量粒子（WIMPs）理论上可能通过引力相互作用被探测到，主要候选者包括中性希格斯玻色子

（2）轴子理论上的自旋-1矢量玻色子，可能通过引力透镜效应被探测

（3）恒星质量暗物质可能由褐矮星或未知的恒星形成天体组成观测证据包括-星系旋转曲线异常星系外围的星体运动速度超出可见物质支撑范围-星系团引力透镜效应星系团中的暗物质导致光线弯曲-大尺度结构的形成暗物质可能影响了宇宙结构的形成

3.简述广义相对论的主要预言及其实验验证主要预言

（1）光线在引力场中弯曲光线经过大质量天体附近时会发生弯曲

（2）水星近日点的进动水星轨道近日点存在额外的进动，与广义相对论预测一致

（3）引力红移光在强引力场中频率降低，导致光谱红移

（4）引力波加速运动的黑洞或中子星会产生引力波实验验证-光线弯曲1919年日食观测证实星光经过太阳附近时弯曲-水星进动水星近日点进动与广义相对论预测吻合-引力红移实验中观测到原子钟在强引力场中的频率变化-引力波LIGO实验首次直接探测到黑洞并合产生的引力波

六、分析题

1.分析宇宙弦理论对宇宙演化的影响宇宙弦理论认为宇宙早期存在高能弦振动，这些弦的振动可以产生引力波和标准模型粒子，对宇宙演化产生重要影响

（1）早期宇宙的扰动宇宙弦的振动可以产生宇宙微波背景辐射的各向异性，解释观测到的温度涨落

（2）暗物质的形成宇宙弦的振动可以形成引力势阱，促进暗物质的形成和聚集

（3）星系结构的形成宇宙弦的振动可能影响了星系和星系团的分布，解释观测到的某些大尺度结构特征

（4）高能粒子加速宇宙弦的振动可以产生高能粒子，解释宇宙射线中的超高能粒子来源

（5）非引力相互作用宇宙弦可能存在非引力相互作用，解释某些无法用标准模型解释的宇宙现象

2.分析系外行星探测方法的优缺点及其未来发展方向系外行星探测方法

（1）凌日法优点对气态巨行星敏感，可以测量行星半径和轨道参数缺点仅适用于特定角度的行星系统，观测效率低未来发展方向结合空间望远镜技术，提高观测精度和效率

（2）径向速度法优点可以探测到类地行星，测量行星质量缺点受金属丰度限制，难以探测低质量行星未来发展方向结合光谱分析技术，提高对低质量行星的探测能力

（3）微引力透镜法优点不依赖恒星特性，可以探测到遥远星系中的行星缺点观测机会随机，难以重复观测未来发展方向结合多望远镜联合观测，提高观测效率和样本积累

（4）直接成像法优点可以观测行星本身，获取行星光谱信息缺点对热星系和低质量行星不敏感，观测难度大未来发展方向结合自适应光学和红外技术，提高观测分辨率和灵敏度综合未来发展方向多方法联合观测、空间望远镜技术发展、人工智能数据分析，将显著提高系外行星探测能力和样本积累

七、综合应用题

1.结合哈勃常数和宇宙年龄，推导宇宙的几何形状推导宇宙几何形状

（1）哈勃常数定义H₀=v/d，其中v是星系红移速度，d是距离

（2）宇宙年龄t₀=1/H₀，其中H₀是哈勃常数

（3）宇宙几何形状由总密度ρ与临界密度ρ_c的比值决定-ρρ_c开放宇宙，负曲率，无限大-ρ=ρ_c平坦宇宙，零曲率，有限无界-ρρ_c封闭宇宙，正曲率，有限有界

（4）根据哈勃常数和宇宙年龄，可以估算总密度-ρ=3H₀²/8πG，其中G是引力常数

（5）比较ρ与ρ_c，可以确定宇宙几何形状-如果ρ/ρ_c1，开放宇宙-如果ρ/ρ_c=1，平坦宇宙-如果ρ/ρ_c1，封闭宇宙

（6）实际观测表明，宇宙总密度接近临界密度，因此宇宙可能是平坦的或接近平坦的

2.结合暗物质和暗能量的观测证据，分析宇宙的未来命运宇宙未来命运分析

（1）暗物质和暗能量的观测证据-暗物质星系旋转曲线异常、星系团引力透镜效应、大尺度结构形成-暗能量宇宙加速膨胀、超新星观测

（2）暗能量与宇宙加速膨胀-暗能量可能是一种具有负压强的物质，导致宇宙加速膨胀-暗能量密度被认为是宇宙学常数，在空间中均匀分布

（3）宇宙的未来命运-如果暗能量密度保持不变（宇宙学常数），宇宙将永远膨胀，最终冷却成接近绝对零度的黑暗空间-如果暗能量密度随时间变化，宇宙的膨胀命运可能更加复杂，可能经历再收缩或持续膨胀

（4）观测证据表明，暗能量密度在宇宙中占主导地位，因此宇宙可能将持续加速膨胀，最终冷却成黑暗空间

（5）未来研究方向-进一步探测暗物质和暗能量的性质-精确测量暗能量密度随时间的变化-研究暗物质和暗能量的相互作用机制。