2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙背景輻射光子源偏振成分比例研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述大爆炸核合成后，光子與早期宇宙中的等離子體（電子、質(zhì)子）通過Compton散射過程如何產(chǎn)生CMB的Doppler偏振。說明這種偏振的主要偏振模式（E?；駼模）及其空間分布特征。二、宇宙微波背景輻射的E模偏振主要來源于何處？請描述其產(chǎn)生過程的物理圖像，并說明其偏振度隨頻率的大致變化趨勢。三、B模偏振被認(rèn)為是原初引力波在最后散射面附近產(chǎn)生的獨(dú)特印記。簡述B模偏振的物理來源，并說明它與宇宙學(xué)參數(shù)（如宇宙加速、暗能量性質(zhì)）以及尋找原初引力波的關(guān)系。四、CMB偏振的測量通常使用Q和U兩個(gè)線性偏振分量。請解釋Q和U分量的物理意義，以及如何通過它們計(jì)算天空的偏振度（PolarizationDegree,Q2+U2）。五、簡述角形調(diào)制法（角計(jì)法）測量CMB偏振的基本原理。為什么需要使用角形調(diào)制法，而不僅僅是測量總強(qiáng)度？六、在CMB偏振觀測數(shù)據(jù)中，除了目標(biāo)信號（如各向異性偏振、B模）之外，還可能存在哪些主要的系統(tǒng)誤差來源？請列舉至少三種，并簡述其可能對偏振分析造成的影響。七、宇宙學(xué)參數(shù)的測量可以通過分析CMB功率譜實(shí)現(xiàn)。簡述CMB偏振功率譜（包括E模和B模功率譜）相比于溫度功率譜在測定哪些宇宙學(xué)參數(shù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。八、當(dāng)前CMB偏振觀測面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？請選擇其中一項(xiàng)（如B模直接探測的困難、系統(tǒng)誤差的精確控制等），深入闡述其技術(shù)難點(diǎn)及其對偏振成分比例研究的影響。九、假設(shè)你獲得了一組模擬的CMB偏振數(shù)據(jù)（描述其來源和特征），請簡述你將如何初步分析這些數(shù)據(jù)以區(qū)分不同偏振源（例如，區(qū)分宇宙學(xué)各向異性偏振與點(diǎn)源偏振）的基本思路和步驟。試卷答案一、Compton散射使早期宇宙中的光子與電子動(dòng)量交換，光子獲得或失去動(dòng)量，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向相對于最后散射面發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)使得光子束在到達(dá)探測器時(shí)具有統(tǒng)計(jì)性的速度分量，從而產(chǎn)生偏振。由于光子動(dòng)量轉(zhuǎn)移方向與散射電子運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)，這種偏振主要表現(xiàn)為E模偏振。其空間分布上，由于散射過程的隨機(jī)性，偏振角在天空上是各向同性的。二、CMB的E模偏振主要來源于最后散射面附近宇宙中殘留的熱輻射（光子）與電子、離子、中微子等組成的等離子體通過湯姆遜散射（以及部分米氏散射）過程的合成。當(dāng)溫度足夠高時(shí)，等離子體不透明，光子在最后散射面附近經(jīng)歷多次散射，其偏振狀態(tài)被“凍結(jié)”下來，形成了具有特定空間分布和頻率依賴性的E模偏振。其偏振度隨頻率大致呈正弦平方關(guān)系變化，在特定頻率處達(dá)到峰值。三、B模偏振被認(rèn)為是由原初引力波在宇宙早期產(chǎn)生的引力波背景場與最后散射面上的等離子體相互作用，在光子散射過程中“卷曲”出的一種特定偏振模式。當(dāng)原初引力波場存在時(shí)，它會引起最后散射面附近空間的擾動(dòng)，使得散射光子產(chǎn)生一種類似“渦旋”的偏振模式，即B模。B模偏振具有特定的角分布特征（例如，在特定角度處與E模正交），其探測到的大小可以直接限制原初引力波譜，并為研究宇宙早期物理（如暴脹）提供重要信息，同時(shí)也蘊(yùn)含著關(guān)于宇宙加速和暗能量性質(zhì)的信息。四、Q和U分量是定義在天空球面上的一對正交的線性偏振基矢量，它們隨著觀察方向（天球坐標(biāo)）的變化而旋轉(zhuǎn)。在特定的天空坐標(biāo)系下（例如，以赤道和子午圈為基準(zhǔn)），Q分量對應(yīng)于偏振方向與子午圈成45度角，U分量對應(yīng)于偏振方向與子午圈成-45度角。通過測量探測器在不同方向上的信號強(qiáng)度變化，可以解算出天空在每個(gè)像素位置的Q和U分量幅度。偏振度是衡量偏振程度的量，其定義為Q2+U2的平方根，它表示偏振信號強(qiáng)度相對于總強(qiáng)度（或隨機(jī)非偏振噪聲）的占比。五、角形調(diào)制法（角計(jì)法）利用了地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的天空方向相對于衛(wèi)星（或地面）觀測儀器的指向在一天內(nèi)周期性變化（約23.9小時(shí)周期）的效應(yīng)。通過精確測量探測器接收到的CMB信號（包括強(qiáng)度和兩個(gè)線性偏振分量Q和U）隨這個(gè)周期性角度變化的余弦和正弦調(diào)制，可以解算出CMB的偏振角和偏振度。這種方法能夠有效地區(qū)分CMB的偏振信號與來自太陽（或其他天體）的角形調(diào)制噪聲（如散斑噪聲），因?yàn)楹笳咄ǔＥcCMB信號在頻率和調(diào)制方式上存在差異。六、CMB偏振觀測中的主要系統(tǒng)誤差來源包括：1.探測器自身的非理想響應(yīng)，如像素間的串?dāng)_（crosstalk）導(dǎo)致強(qiáng)度信號泄漏到偏振通道，或偏振通道間的耦合；2.天線系統(tǒng)的不完美性，如方向圖不對稱性、極化響應(yīng)不均勻或隨頻率變化，導(dǎo)致測量的Q/U分量受到強(qiáng)度信號或其他偏振模式的污染；3.地面觀測中的大氣影響，如大氣散射和發(fā)射會引入額外的偏振信號或改變天空背景，特別是在高頻段影響顯著。這些系統(tǒng)誤差會扭曲真實(shí)的CMB偏振圖樣，影響偏振度、角功率譜以及源分離的準(zhǔn)確性。七、CMB偏振功率譜相比于溫度功率譜在測定某些宇宙學(xué)參數(shù)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢：1.B模功率譜的峰值位置對原初引力波幅度和宇宙曲率參數(shù)Ωk的敏感度遠(yuǎn)高于溫度譜，是直接探測原初引力波并檢驗(yàn)宇宙平坦性的關(guān)鍵；2.E模和B模功率譜在低多尺度（角尺度小）處的差異可以提供關(guān)于宇宙中聲波在最后散射面附近傳播歷史（受暗物質(zhì)、中微子質(zhì)量等影響）的信息，有助于約束這些物理量；3.偏振功率譜能有效分離宇宙學(xué)各向異性偏振與點(diǎn)源偏振（如星系、QSO），使得對宇宙學(xué)參數(shù)的測量不受或較少受點(diǎn)源混淆的影響。八、當(dāng)前CMB偏振觀測面臨的主要挑戰(zhàn)之一是精確控制和剔除系統(tǒng)誤差，特別是地面觀測中的大氣影響。大氣散射和發(fā)射會在CMB信號中引入噪聲和偏振，尤其是在高頻段，這會顯著降低偏振測量信噪比，并可能引入虛假的偏振信號（如E/B?；煜?。精確建模和修正大氣效應(yīng)需要復(fù)雜的儀器設(shè)計(jì)（如真空罩、熱控系統(tǒng)）、高精度的天頂角測量、多頻段觀測以及發(fā)展先進(jìn)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。大氣誤差的殘留是限制偏振觀測精度，尤其是在尋找微弱的B模信號或進(jìn)行高精度宇宙學(xué)參數(shù)測量方面的主要瓶頸。九、初步分析模擬的CMB偏振數(shù)據(jù)以區(qū)分不同偏振源的基本思路和步驟如下：1.數(shù)據(jù)預(yù)處理：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去rending、點(diǎn)源扣除（使用模板匹配或自適應(yīng)方法）、FIR濾波以抑制1/f噪聲，并進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正（如天線效應(yīng)對稱性校正、大氣影響修正等）。2.計(jì)算基本統(tǒng)計(jì)量：計(jì)算天空的偏振度圖（Q2+U2），尋找偏振信號強(qiáng)的區(qū)域。3.偏振模式分解：利用球諧分析，將Q和U分量分解為E模和B模譜（或其他分離方法）。4.源分離初步判斷：