2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙背景輻射的起源與演變考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的科學家是？A.哈勃B.愛因斯坦C.彭齊亞斯和威爾遜D.赫爾斯和泰勒2.宇宙微波背景輻射目前最接近哪種輻射體？A.黑體輻射B.白體輻射C.朗伯輻射D.柏林輻射3.宇宙微波背景輻射產(chǎn)生的主要物理過程是？A.恒星核聚變B.宇宙膨脹和冷卻C.光子與中微子的相互作用D.宇宙弦振動4.光子退耦發(fā)生在宇宙大爆炸的哪個階段？A.大爆炸最初幾分鐘B.大爆炸最初幾秒C.大爆炸最初幾分鐘到幾億年D.大爆炸最初幾億年到幾十億年5.宇宙微波背景輻射的溫度隨宇宙膨脹如何變化？A.升高B.降低C.保持不變D.先升高后降低6.宇宙微波背景輻射的角功率譜峰值位置主要反映了什么宇宙學參數(shù)？A.宇宙年齡B.宇宙物質(zhì)密度C.宇宙哈勃常數(shù)D.宇宙平坦度7.宇宙微波背景輻射的E模和B模極化中，哪一種主要是由光子退耦時的角動量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的？A.E模B.B模C.兩者都是D.兩者都不是8.下列哪項不是宇宙微波背景輻射的主要觀測證據(jù)？A.宇宙的平坦性B.宇宙的加速膨脹C.大尺度結(jié)構(gòu)的形成D.宇宙元素的豐度9.ΛCDM宇宙學模型中，Λ代表什么？A.暗物質(zhì)B.暗能量C.宇宙常數(shù)D.宇宙學距離10.未來宇宙微波背景輻射觀測的主要目標不包括？A.提高溫度漲落測量精度B.探測早期宇宙的引力波印記C.更精確地測量宇宙學參數(shù)D.直接觀測到大爆炸的瞬時光譜二、填空題（每空1分，共15分）1.宇宙微波背景輻射目前測得的溫度約為________K。2.宇宙微波背景輻射起源于約________年前光子與物質(zhì)解耦的時刻。3.宇宙微波背景輻射的溫度漲落主要是由早期宇宙的不均勻性在引力作用下演化而來的，其功率譜在角尺度θ≈________弧度處出現(xiàn)峰值（約相當于多角度）。4.宇宙微波背景輻射的偏振主要包含________模和________模。5.根據(jù)宇宙微波背景輻射的數(shù)據(jù)，宇宙的幾何形狀被確定是________的。6.宇宙微波背景輻射各向異性中，最顯著的部分稱為________。7.通過測量宇宙微波背景輻射的________，可以對宇宙的年齡、物質(zhì)組成、暗能量等關鍵參數(shù)進行精確限制。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.最后散射面2.光子退耦3.宇宙微波背景輻射各向異性4.角功率譜5.B模極化四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述宇宙微波背景輻射是如何作為大爆炸理論的重要證據(jù)的。2.解釋宇宙微波背景輻射的角功率譜的物理意義。3.簡述宇宙微波背景輻射極化產(chǎn)生的物理機制。4.為什么說宇宙微波背景輻射是研究早期宇宙的“快照”？五、計算題（6分）假設宇宙是平坦的、僅由物質(zhì)和暗能量組成的ΛCDM模型，且當前宇宙微波背景輻射的溫度為2.725K。請估算光子退耦時的宇宙溫度和宇宙年齡（以年為單位）。已知光速c≈3×10?m/s，普朗克常數(shù)h≈6.63×10?3?J·s，玻爾茲曼常數(shù)k_B≈1.38×10?23J/K，哈勃常數(shù)H_0≈70km/s/Mpc。提示：可利用宇宙尺度因子a(t)與哈勃參數(shù)H(t)的關系H(t)=v(t)/a(t)，以及平坦宇宙的幾何關系。六、論述題（13分）宇宙微波背景輻射的觀測對現(xiàn)代宇宙學的發(fā)展起到了奠基性的作用。請結(jié)合其起源、性質(zhì)和觀測結(jié)果，論述宇宙微波背景輻射在驗證宇宙學模型、約束宇宙學參數(shù)以及揭示早期宇宙性質(zhì)方面的主要貢獻。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.C5.B6.B7.B8.A9.B10.B二、填空題1.2.7252.38萬3.0.054.E，B5.平坦6.偏振7.溫度漲落三、名詞解釋1.最后散射面：指宇宙早期光子退耦時，自由電子變得足夠少，光子可以自由傳播的等時面，類似于我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射的起源面。2.光子退耦：在宇宙早期，光子與電子、正電子等帶電粒子頻繁相互作用，宇宙處于光子主導的輻射支配階段。隨著宇宙膨脹和冷卻，當溫度降至約3000K時，電子與原子核結(jié)合形成中性原子，光子不再輕易與帶電粒子碰撞，從而可以自由傳播，這一過程稱為光子退耦。3.宇宙微波背景輻射各向異性：指觀測到的宇宙微波背景輻射在空間不同方向的溫度存在微小的起伏，這種溫度差異反映了早期宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)初始種子。4.角功率譜：描述宇宙微波背景輻射溫度漲落隨角尺度（觀察方向上的角度范圍）變化的函數(shù)，它編碼了早期宇宙不均勻性的信息，是宇宙學的重要探針。5.B模極化：一種特定的宇宙微波背景輻射偏振模式，其空間分布具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，主要由早期宇宙產(chǎn)生的引力波imprint所引起，是探測早期宇宙物理過程的重要手段。四、簡答題1.宇宙微波背景輻射是大爆炸核合成理論的直接預言和觀測驗證。其黑體譜特征符合大爆炸模型預測的早期高溫熾熱宇宙冷卻后的余暉；其溫度漲落則反映了早期宇宙微小的密度擾動，這些擾動是后來形成星系、星系團等大尺度結(jié)構(gòu)的基礎。此外，光子退耦時刻形成的“最后散射面”為觀測早期宇宙提供了一個“凍結(jié)”的圖像。2.角功率譜描述了CMB溫度漲落在一給定角度范圍內(nèi)的平方和（或相關函數(shù)），它量化了漲落的大小隨角度變化的規(guī)律。功率譜的峰值位置對應于早期宇宙不均勻性的典型尺度，該尺度在引力作用下演化到今天所對應的角尺度。通過測量功率譜的峰值位置和高度，可以精確提取宇宙學參數(shù)，如物質(zhì)密度、暗能量密度、宇宙平坦度等。3.CMB極化產(chǎn)生于光子退耦前后與早期宇宙中的磁偶極子場、引力波場或軸子場的相互作用。具體機制包括：湯姆遜散射可以改變光子的偏振狀態(tài)；而在光子退耦前的強磁場中，光子與虛粒子對的散射（光生散射）以及后續(xù)的逆過程（逆光生散射）可以產(chǎn)生E模和B模極化；引力波在退耦后通過激發(fā)引力波-光子耦合（GWC）或軸子耦合產(chǎn)生B模極化。4.由于光速有限，我們今天觀測到的來自遙遠天體的光線是它們在很久以前發(fā)出的。CMB是來自宇宙早期（約38萬年前）的光子，這些光子在自由傳播過程中幾乎沒有受到之后發(fā)生的物理過程的影響，只經(jīng)歷了宇宙的膨脹和冷卻。因此，觀測CMB就像是在回望早期宇宙的一個“快照”，它保留了早期宇宙的物理信息，為我們研究宇宙的起源、演化和最終命運提供了寶貴的窗口。五、計算題解：1.根據(jù)黑體輻射定律，溫度與能量密度成正比，能量密度又與a(t)??成正比（對于黑體輻射U∝T3∝a?3，總能量密度U∝a??）。因此，當前溫度T?與退耦時溫度T_rec的關系為：T?=T_rec*(a_rec/a?)2由于宇宙是平坦的，a(t)∝t^(1/2)，所以a_rec/a?=(t_rec/t?)^(1/2)。代入上式得：T?=T_rec*(t_rec/t?)^(1/2)2.725K=T_rec*[(3×10?/t?)^(1/2)]（式1）其中t?是當前時間，約13.8億年，即t?≈1.38×101?s。2.求解T_rec。利用哈勃定律v=H?d和宇宙膨脹關系v=H(t)a(t)，得v=H?a(t)，所以a(t)=v/H?。對于平坦宇宙，a(t)∝t^(1/2)，所以v∝t^(1/2)。退耦時的速度v_rec=H?a_rec=H?*(t_rec)^(1/2)。退耦時的溫度T_rec∝a_rec?3=(t_rec)?2。因此，T_rec∝v_rec?3=[H?*(t_rec)^(1/2)]?3=H??3*(t_rec)?3/2。將T_rec代入式1：2.725=[H??3*(t_rec)?3/2]*[(3×10?/t?)^(1/2)]2.725=H??3*(t_rec)?3/2*(3×10?/t?)^(1/2)2.725*H?3*t?^(3/2)=(3×10?)^(1/2)*t_rec?3/2t_rec?3/2=(3×10?)?1/2*2.725*H?3*t?^(3/2)t_rec=[(3×10?)^(1/2)/(2.725*H?3*t?^(3/2))]^(2/3)t_rec=[(3×10?)/(2.725*(70×103/3×10?)3*(1.38×101?)3)]^(2/3)st_rec=[(3×10?)/(2.725*(7×10?11)*(2.65×1031))]^(2/3)st_rec=[(3×10?)/(5.2×10?1?*2.65×1031)]^(2/3)s