Тест по астрономии: Ускоренное расширение вселенной и тёмная энергия (10-11 класс)
Тест по астрономии «Ускоренное расширение вселенной и тёмная энергия» для 10-11 классов — это проверочная работа, ориентированная на углубленную оценку знаний учащихся о современной космологической модели. Задания охватывают темы скрытой массы, природы темной энергии, методов измерения космических расстояний и сценариев эволюции Вселенной.
1
Какое наблюдение заставило астрономов предположить существование темной материи в галактиках?
Правильный ответ:
Аномально высокие скорости движения звезд на периферии галактик.Пояснение:
Наблюдения показали, что звезды на краях галактик движутся гораздо быстрее, чем это следовало бы из законов небесной механики, если учитывать только видимую массу (звезды и газ). Для удержания таких быстрых звезд необходима дополнительная скрытая масса — темная материя.2
Каков основной вклад темной энергии в динамику современной Вселенной?
Правильный ответ:
Она вызывает ускоренное расширение Вселенной.Пояснение:
Темная энергия обладает свойством создавать отрицательное давление (антигравитацию), которое в масштабах всей Вселенной действует как сила отталкивания. Именно это воздействие приводит к тому, что расширение Вселенной происходит с ускорением.3
Какой метод использовался астрономами для открытия ускоренного расширения Вселенной в конце 1990-х годов?
Правильный ответ:
Наблюдение за вспышками далеких сверхновых звезд типа Ia.Пояснение:
Астрономы использовали сверхновые типа Ia как «стандартные свечи». Измерив расстояние до них и их красное смещение, ученые обнаружили, что далекие сверхновые находятся дальше, чем предполагала модель с замедлением, что свидетельствовало об ускорении расширения.4
Какую примерную долю составляет темная энергия в общем балансе массы-энергии современной Вселенной?
Правильный ответ:
Около 70%.Пояснение:
Согласно современным космологическим данным (в частности, миссии Planck), темная энергия является доминирующим компонентом Вселенной, составляя примерно 70% от общей плотности энергии. Темная материя составляет около 25%, а обычное вещество — около 5%.5
Как меняется плотность темной энергии по мере расширения Вселенной согласно стандартной космологической модели?
Правильный ответ:
Плотность темной энергии остается постоянной.Пояснение:
Уникальным свойством темной энергии (в модели космологической постоянной) является то, что ее плотность остается неизменной при расширении пространства. Это отличает её от материи, плотность которой падает по мере увеличения объема Вселенной.6
Какое фундаментальное взаимодействие характерно для частиц темной материи?
Правильный ответ:
Гравитационное взаимодействие.Пояснение:
Темная материя называется «темной» потому, что она не испускает и не поглощает свет (не участвует в электромагнитном взаимодействии). Она проявляет себя только через гравитацию, влияя на движение звезд и галактик, и, возможно, участвует в слабом ядерном взаимодействии.7
Примерно сколько лет назад (по возрасту Вселенной) темная энергия начала преобладать над тяготением материи, вызвав ускорение?
Правильный ответ:
Около 7 миллиардов лет назад.Пояснение:
В ранней Вселенной доминировала плотность материи, и расширение замедлялось. Однако из-за падения плотности материи при постоянной плотности темной энергии, примерно 6-7 миллиардов лет назад (когда возраст Вселенной был около 7 млрд лет) силы отталкивания стали преобладать.8
Какую долю в составе Вселенной занимают привычные нам химические элементы (водород, гелий и тяжелые элементы)?
Правильный ответ:
Около 4-5%.Пояснение:
Барионное вещество (обычная материя, из которой состоят звезды, планеты, газ и люди) составляет меньшинство в составе Вселенной — всего около 4-5%. Остальные 95% приходятся на темную материю и темную энергию.9
Как влияет темная материя на среднюю плотность Вселенной по сравнению с оценками, основанными только на светящемся веществе?
Правильный ответ:
Она увеличивает значение средней плотности в несколько раз.Пояснение:
Поскольку масса темной материи в несколько раз превышает массу видимых звезд и газа, учет этой скрытой массы приводит к необходимости увеличить оценку средней плотности материи во Вселенной примерно в 5-6 раз по сравнению с видимым веществом.10
Какова природа силы, которую создает темная энергия в масштабах Вселенной?
Правильный ответ:
Это сила всемирного отталкивания (антигравитация).Пояснение:
Темная энергия создает эффект, противоположный гравитации обычного вещества. Она действует как сила отталкивания, которая «расталкивает» пространство, заставляя галактики удаляться друг от друга с ускорением.11
Почему астрономы называют сверхновые типа Ia «стандартными свечами»?
Правильный ответ:
Потому что они имеют известную и практически одинаковую светимость в максимуме вспышки.Пояснение:
Сверхновые типа Ia возникают при взрыве белых карликов, достигших критической массы (предела Чандрасекара). Физика этого процесса гарантирует практически одинаковое выделение энергии, что позволяет знать их истинную светимость и вычислять расстояние по видимой яркости.12
Какое утверждение о распределении темной материи в спиральных галактиках является верным?
Правильный ответ:
Темная материя образует обширное сферическое гало, выходящее далеко за пределы видимого диска.Пояснение:
Наблюдения кривых вращения показывают, что галактики погружены в массивные гало из темной материи. Эти гало простираются на расстояния, значительно превышающие размеры видимой части галактики, обеспечивая гравитационную устойчивость периферийных зон.13
Что происходит с плотностью обычного вещества (барионов) при расширении Вселенной?
Правильный ответ:
Она уменьшается обратно пропорционально объему.Пояснение:
Количество обычного вещества (масса) во Вселенной сохраняется, но объем пространства растет из-за расширения. Следовательно, концентрация частиц в единице объема (плотность) неуклонно падает со временем.14
Какой вклад в массу Вселенной вносят нейтрино по современным оценкам?
Правильный ответ:
Их вклад незначителен (менее 1%), хотя их количество огромно.Пояснение:
Хотя нейтрино чрезвычайно многочисленны, их масса настолько мала, что их суммарный вклад в плотность энергии Вселенной очень скромен (доли процента), и они не могут объяснить всю скрытую массу (темную материю).15
Что можно сказать о средней плотности Вселенной с учетом темной энергии?
Правильный ответ:
Она очень близка или равна критической плотности.Пояснение:
Сумма плотностей барионной материи, темной материи и темной энергии дает значение, очень близкое к критической плотности. Это означает, что геометрия нашего пространства является плоской (евклидовой) в космологических масштабах.16
В чем заключается главное отличие темной энергии от темной материи?
Правильный ответ:
Темная энергия создает отталкивание и распределена равномерно, а темная материя притягивает и собирается в сгустки.Пояснение:
Это принципиально разные сущности. Темная материя — это вещество (пусть и экзотическое), которое гравитирует (притягивает) и образует структуры (гало). Темная энергия — это свойство пространства (поля), которое создает отталкивание и не образует сгустков.17
Какой теоретический параметр, введенный Эйнштейном, часто ассоциируют с темной энергией?
Правильный ответ:
Космологическая постоянная (лямбда-член).Пояснение:
Альберт Эйнштейн ввел в уравнения ОТО космологическую постоянную (Λ), чтобы получить стационарную Вселенную. Позже он назвал это ошибкой, но сегодня именно этот член (энергия вакуума) лучше всего описывает свойства темной энергии.18
Что такое гравитационное линзирование, которое помогает изучать темную материю?
Правильный ответ:
Искривление лучей света гравитационным полем скрытой массы.Пояснение:
Массивные скопления темной материи искривляют пространство вокруг себя. Свет от более далеких объектов, проходя через это искривление, отклоняется, создавая искаженные изображения (дуги, кольца). Этот эффект позволяет «взвесить» невидимую материю.19
Какой сценарий будущего Вселенной наиболее вероятен при сохранении текущих свойств темной энергии?
Правильный ответ:
Вечное ускоренное расширение и тепловая смерть (Большое замерзание).Пояснение:
Если темная энергия останется неизменной (космологическая постоянная), Вселенная будет расширяться вечно с ускорением. Галактики уйдет за горизонт событий, звезды погаснут, и наступит состояние термодинамического равновесия при почти нулевой температуре.20
Почему влияние темной энергии стало заметным только на поздних этапах эволюции Вселенной?