2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙微波背景輻射的探測分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內）1.宇宙微波背景輻射主要來源于（）。A.宇宙大爆炸的即時能量輻射B.宇宙早期光子與物質相互作用產生的熱輻射C.恒星內部的核聚變反應D.宇宙空間中的星際塵埃加熱2.使宇宙微波背景輻射接近黑體譜的主要原因是（）。A.輻射在宇宙中傳播了極短的距離B.宇宙經歷了長時間的膨脹和冷卻C.輻射與早期宇宙中的粒子頻繁散射D.探測器本身具有黑體特性3.目前測量宇宙微波背景輻射溫度漲落（各向異性）精度最高的衛(wèi)星任務是（）。A.COBEB.WMAPC.PlanckD.Hubble4.宇宙微波背景輻射的角功率譜（溫度漲落隨角度變化的函數(shù)）峰值位置主要反映了（）。A.宇宙當前的膨脹速率B.宇宙的總物質能量密度C.早期宇宙的視界大小和物質密度狀態(tài)D.探測器的靈敏度5.在宇宙微波背景輻射溫度圖中，連接溫度最高點和最低點的線段稱為（）。A.聯(lián)線B.等溫線C.聯(lián)星線D.等功率線6.導致宇宙微波背景輻射存在特定偏振信號的主要物理過程是（）。A.宇宙膨脹導致的拉伸B.早期宇宙中的電子-正電子等離子體散射C.大尺度結構對輻射的引力透鏡效應D.探測器本身的設計特性7.宇宙微波背景輻射中的E模和B模偏振分別對應于（）。A.線偏振和圓偏振B.傾角為0°和45°的偏振C.可觀測的和不可觀測的偏振分量D.偶數(shù)階和奇數(shù)階的球諧函數(shù)展開分量8.如果宇宙微波背景輻射沒有各向異性，這意味著（）。A.宇宙是完美的各向同性體B.早期宇宙不存在密度起伏C.宇宙膨脹歷史是平坦的D.沒有宇宙學9.探測地面效應（如大氣閃爍和射電干擾）對宇宙微波背景輻射觀測的主要影響是（）。A.降低觀測的角分辨率B.引入系統(tǒng)性的溫度偏移C.改變輻射的黑體譜特性D.使溫度漲落信號完全不可見10.宇宙微波背景輻射各向異性功率譜的峰值位置相對于θ=π/2處的位置（角度單位）與（）密切相關。A.宇宙的視界尺度B.宇宙的哈勃常數(shù)C.宇宙的表面曲率D.宇宙的暗能量密度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.宇宙微波背景輻射溫度約為_______K。2.宇宙微波背景輻射的主要起源是_______年左右宇宙進入光子decoupling（退耦）階段時釋放的光子。3.為了減少大氣干擾，宇宙微波背景輻射的探測通常需要在_______進行，或者使用空間望遠鏡。4.衡量探測器對微弱信號敏感程度的指標是_______。5.宇宙微波背景輻射的溫度漲落角功率譜P(θ)在角度θ=0時（理論峰值處）與宇宙早期平坦性的參數(shù)_______密切相關。6.宇宙微波背景輻射的偏振主要是由光子與早期宇宙中的_______粒子散射引起的。7.通過分析宇宙微波背景輻射的_______譜，可以精確測量宇宙的年齡、物質組成等基本參數(shù)。8.宇宙微波背景輻射存在一個指向特定方向（大致指向南半球半人馬座方向）的微小溫度偏移，被稱為_______。9.探測宇宙微波背景輻射的B模偏振對于檢驗早期宇宙的_______理論具有重要意義。10.除了溫度漲落，宇宙微波背景輻射還表現(xiàn)出_______漲落和_______漲落。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述宇宙微波背景輻射的“黑體”性質意味著什么？2.為什么需要從空間（衛(wèi)星）而不是地面來探測宇宙微波背景輻射？3.什么是宇宙微波背景輻射的角功率譜？它主要揭示了關于早期宇宙的哪些信息？4.解釋什么是宇宙微波背景輻射的E模和B模偏振，它們分別對應什么物理來源？四、計算題（每題10分，共20分）1.假設宇宙微波背景輻射在某個頻率下的黑體譜輻射強度為I?。如果探測器測得的該頻率輻射強度為I，且探測器的工作頻率范圍很窄，其響應度（靈敏度）為S。請推導出探測器測得的溫度漲落ΔT與ΔI的關系式。如果探測器的靈敏度S為1×10?2W/(m2·Hz)，測得輻射強度偏離黑體值ΔI為1×10?1?W/(m2·Hz)，估算探測到的溫度漲落是多少開爾文？（結果保留一位有效數(shù)字）2.根據當前的宇宙學模型（ΛCDM），宇宙微波背景輻射角功率譜P(θ)在理論上的峰值位置大致在θ≈0.005弧度。如果實際觀測到的峰值位置略有偏移，例如θ_observed=0.0055弧度，這通常被解釋為宇宙存在一定的（正或負）曲率。請簡要說明峰值位置偏移如何反映宇宙的幾何性質？如果峰值位置向更小的角度移動，這意味著宇宙的曲率是正的、負的還是平坦的？五、論述題（15分）結合宇宙微波背景輻射的主要觀測特征（如黑體譜、各向異性、偏振），論述其在現(xiàn)代宇宙學中扮演的角色，并說明這些觀測結果如何支持或修正了經典的宇宙學模型。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.A6.B7.D8.B9.B10.C二、填空題1.2.72.38萬3.高空4.靈敏度5.ω6.電子7.功率譜8.偏振峰9.原初引力波10.溫度；偏振三、簡答題1.解析思路：黑體是指理想的熱輻射體，其輻射譜只與溫度有關，與物質種類無關。宇宙微波背景輻射在整體上非常接近黑體譜（其溫度約為2.7K），這意味著其起源溫度是均勻且已知的，且在退耦后宇宙變得高度透明，輻射能夠自由傳播至今，其譜形主要反映了早期宇宙的熱力學狀態(tài)。2.解析思路：地面觀測宇宙微波背景輻射面臨主要挑戰(zhàn)是來自地球大氣層（尤其是電離層和大氣自身）的射電干擾，這些干擾信號通常比微弱的CMB信號強得多，且隨時間和頻率變化，會嚴重污染觀測數(shù)據?？臻g觀測則可以完全避開大氣層，獲得純凈的CMB信號，從而提高觀測精度和探測能力。3.解析思路：角功率譜是描述宇宙微波背景輻射溫度漲落隨角度（或空間頻率）變化的函數(shù)。它量化了在不同尺度上溫度變化的強度。通過分析功率譜的形狀和位置，可以推斷早期宇宙的物理性質，例如物質密度參數(shù)（ρ_m/ρ_crit）、宇宙曲率（k）以及宇宙的膨脹速率（H?）等關鍵宇宙學參數(shù)。4.解析思路：CMB偏振是指其電場矢量振動方向的空間分布。E模偏振是電場振動方向平行于視線與角度圓周切線構成的平面的偏振，它主要由早期宇宙中的電子-正電子等離子體對CMB光子散射產生。B模偏振是電場振動方向垂直于視線與角度圓周切線構成的平面的偏振，它主要是由早期宇宙中的引力波對CMB光子產生的引力透鏡效應以及原初磁場的效應共同產生，通常被認為是探測原初引力波的重要線索。四、計算題1.解析思路：探測器接收到的信號強度變化ΔI，在忽略非線性效應時，與入射到探測器上的特定頻率輻射強度變化ΔI_cmb成正比。由于探測器工作在窄頻帶，可以認為其響應度S是常數(shù)。因此ΔI=S*ΔI_cmb。根據斯特藩-玻爾茲曼定律，輻射強度與溫度的四次方成正比，即I_cmb∝T_cmb?。所以ΔI_cmb∝T_cmb?*ΔT_cmb。結合兩者，得到ΔI∝S*T_cmb?*ΔT_cmb。由于黑體譜是已知的（T_cmb≈2.7K），S是給定的，因此ΔI與ΔT_cmb成線性關系，比例系數(shù)為S*T_cmb?。代入數(shù)值：ΔT_cmb=ΔI/(S*T_cmb?)=(1×10?1?W/(m2·Hz))/(1×10?2W/(m2·Hz)*(2.7K)?)≈2.5×10??K。保留一位有效數(shù)字，結果為3×10??K。2.解析思路：根據宇宙學理論，角功率譜的峰值位置與宇宙的幾何性質（曲率）密切相關。對于平坦宇宙（k=0），峰值位于θ≈0.005弧度。當宇宙為開放宇宙（k<0）時，峰值位置會向更小的角度移動（θ<0.005弧度）。當宇宙為封閉宇宙（k>0）時，峰值位置會向更大的角度移動（θ>0.005弧度）。觀測到的θ_observed=0.0055弧度大于理論峰值，這意味著峰值向大角度移動，因此宇宙的曲率是正值（k>0），表明宇宙是封閉的。峰值位置向更小的角度移動則意味著k<0（開放宇宙），峰值位置不變（θ=0.005）則意味著k=0（平坦宇宙）。五、論述題解析思路：論述需涵蓋CMB的幾個核心觀測及其意義：1.黑體譜：CMB具有極其接近完美黑體譜的特性（T≈2.7K），這強烈支持了宇宙早期處于高溫高密狀態(tài)，并經歷了快速膨脹和冷卻的“大爆炸”模型。退耦使得光子自由傳播，其初始溫度決定了今天的黑體溫度。2.各向異性：雖然整體均勻，但CMB存在微小的溫度漲落（約十萬分之一）。這些漲落并非隨機噪聲，而是早期宇宙密度不均勻性的“fossilimprints”。通過分析各向異性功率譜，可以精確測量宇宙