2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——宇宙微波背景輻射的觀測(cè)與分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.宇宙微波背景輻射（CMB）的主要特征是？A.強(qiáng)度隨頻率線性變化B.具有黑體輻射譜C.具有明顯的偏振D.在所有方向上的溫度都相同2.CMB是在哪個(gè)時(shí)期形成的？A.宇宙誕生之初的瞬間B.大爆炸后約38萬年C.宇宙年齡約為46億年時(shí)D.宇宙年齡約為100億年時(shí)3.下列哪項(xiàng)不是CMB的主要觀測(cè)設(shè)備？A.COBE衛(wèi)星B.哈勃空間望遠(yuǎn)鏡C.WMAP衛(wèi)星D.Planck衛(wèi)星4.CMB的溫度大約是多少開爾文？A.3000B.1000C.300D.2.75.CMB功率譜的主要特征是什么？A.單峰B.雙峰C.多峰D.平坦6.下列哪項(xiàng)不是CMB偏振的類型？A.E模B.B模C.D模D.G模7.CMB角后隨的主要作用是什么？A.探測(cè)原初引力波B.探測(cè)暗物質(zhì)C.精確測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)D.研究恒星演化8.下列哪個(gè)物理量可以通過CMB觀測(cè)得到精確限制？A.宇宙膨脹速率B.宇宙年齡C.宇宙中暗能量的比例D.宇宙中暗物質(zhì)的比例9.CMB的發(fā)現(xiàn)對(duì)大爆炸理論有何重要意義？A.證實(shí)了大爆炸理論的正確性B.證明了宇宙是無限的C.證明了宇宙是靜態(tài)的D.證明了宇宙是開放的10.下列哪個(gè)現(xiàn)象可以解釋CMB的溫度漲落？A.宇宙膨脹B.星系形成C.原初不均勻性D.黑洞蒸發(fā)二、填空題（每空2分，共20分）1.CMB是由______輻射產(chǎn)生的。2.CMB的主要觀測(cè)方法是______。3.CMB的偏振可以提供關(guān)于______的信息。4.CMB功率譜的第一個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是______尺度。5.CMB角后隨的尺度范圍是______。6.CMB偏振中的E?？梢杂蒧_____產(chǎn)生。7.CMB偏振中的B?？梢杂蒧_____產(chǎn)生。8.CMB觀測(cè)可以限制宇宙學(xué)參數(shù)______和______。9.CMB中的引力波印記可以通過______探測(cè)到。10.CMB的研究有助于我們理解______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述CMB的發(fā)現(xiàn)過程。2.簡(jiǎn)述CMB的形成過程。3.簡(jiǎn)述CMB探測(cè)器的類型及其工作原理。4.簡(jiǎn)述CMB功率譜的分析方法。5.簡(jiǎn)述CMB偏振的觀測(cè)意義。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述CMB對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)測(cè)量的重要意義。2.論述CMB偏振研究的最新進(jìn)展及其對(duì)物理學(xué)的影響。試卷答案一、選擇題1.B解析：CMB的主要特征是其具有接近完美黑體輻射譜，溫度約為2.7K。2.B解析：CMB形成于大爆炸后約38萬年，此時(shí)宇宙已經(jīng)冷卻到足以讓光子與物質(zhì)分離。3.B解析：COBE、WMAP、Planck是主要的CMB觀測(cè)衛(wèi)星，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)星系和恒星。4.D解析：CMB的當(dāng)前溫度約為2.7K，這是一個(gè)非常低的溫度。5.C解析：CMB功率譜呈現(xiàn)多峰特征，不同峰值對(duì)應(yīng)不同的物理尺度。6.D解析：CMB偏振主要分為E模和B模，G模不是CMB偏振的類型。7.C解析：CMB角后隨是空間溫度漲落的自相關(guān)函數(shù)，主要用于精確測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)。8.C解析：CMB觀測(cè)可以非常精確地限制宇宙中暗能量的比例（ΩΛ）和宇宙中普通物質(zhì)的密度（Ωm）。9.A解析：CMB的發(fā)現(xiàn)是支持大爆炸理論的最有力證據(jù)之一。10.C解析：CMB的溫度漲落是由宇宙早期原初不均勻性演化而來。二、填空題1.大爆炸解析：CMB被認(rèn)為是宇宙早期大爆炸的余暉。2.射電望遠(yuǎn)鏡和空間衛(wèi)星解析：CMB觀測(cè)主要利用射電望遠(yuǎn)鏡和空間衛(wèi)星進(jìn)行，以克服地球大氣層的干擾。3.原初引力波解析：CMB偏振可以提供關(guān)于早期宇宙中是否存在原初引力波的信息。4.巨大尺度結(jié)構(gòu)解析：CMB功率譜的第一個(gè)峰對(duì)應(yīng)的是目前觀測(cè)到的巨大尺度結(jié)構(gòu)，如星系團(tuán)和超星系團(tuán)。5.幾度角到幾十度角解析：CMB角后隨的尺度范圍從幾度角到幾十度角，對(duì)應(yīng)不同的物理過程。6.光子與物質(zhì)的相互作用解析：CMB中的E模主要是由光子與物質(zhì)在光子退耦過程中相互作用產(chǎn)生。7.原初引力波解析：CMB中的B模被認(rèn)為是原初引力波在退耦過程中產(chǎn)生的印記。8.ΩΛ和Ωm解析：CMB觀測(cè)可以限制宇宙學(xué)參數(shù)暗能量比例（ΩΛ）和物質(zhì)密度（Ωm）。9.B模偏振解析：CMB中的引力波印記主要通過探測(cè)CMB偏振中的B模來發(fā)現(xiàn)。10.宇宙的起源和演化解析：CMB的研究有助于我們理解宇宙的起源、演化和最終命運(yùn)。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述CMB的發(fā)現(xiàn)過程。解析：CMB的發(fā)現(xiàn)源于對(duì)宇宙微波背景輻射的預(yù)期。1948年，阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在調(diào)試新射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，意外探測(cè)到了一種無法解釋的背景噪聲。經(jīng)過分析，他們確定這種噪聲是一種來自宇宙的、均勻的、各向同性的微波輻射，即CMB。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2.簡(jiǎn)述CMB的形成過程。解析：CMB的形成經(jīng)歷了光子退耦時(shí)期。在大爆炸后約10秒，宇宙溫度仍然很高，光子與電子、原子核等粒子頻繁相互作用，宇宙處于“光子時(shí)代”。隨著宇宙的膨脹和冷卻，在約38萬年后，宇宙溫度降低到大約3000K，光子能量不足以電離剩余的原子核和電子。此時(shí)，光子可以自由傳播，不再與物質(zhì)相互作用，形成了一片“透明”的宇宙。這些在光子退耦時(shí)期產(chǎn)生的光子，經(jīng)過數(shù)十億年的膨脹，逐漸冷卻到目前的2.7K，形成了我們觀測(cè)到的CMB。3.簡(jiǎn)述CMB探測(cè)器的類型及其工作原理。解析：CMB探測(cè)器主要分為幾種類型：泡室探測(cè)器、超導(dǎo)探測(cè)器、-balanced探測(cè)器等。泡室探測(cè)器利用光子與材料相互作用產(chǎn)生的電荷信號(hào)來探測(cè)CMB。超導(dǎo)探測(cè)器利用超導(dǎo)材料在低溫下電阻為零的特性，通過測(cè)量超導(dǎo)材料中電流的變化來探測(cè)CMB。-balanced探測(cè)器利用干涉儀原理，通過測(cè)量CMB輻射在兩個(gè)正交臂中的相位差來探測(cè)CMB偏振。4.簡(jiǎn)述CMB功率譜的分析方法。解析：CMB功率譜的分析方法主要分為以下幾個(gè)步驟：首先，對(duì)CMB地圖進(jìn)行平滑以去除高空間頻率噪聲；其次，計(jì)算平滑后地圖的功率譜，即溫度漲落的自相關(guān)函數(shù)；最后，將計(jì)算得到的功率譜與理論模型進(jìn)行比較，以限制宇宙學(xué)參數(shù)。功率譜的峰值位置和高度可以提供關(guān)于宇宙年齡、物質(zhì)密度、暗能量密度等信息。5.簡(jiǎn)述CMB偏振的觀測(cè)意義。解析：CMB偏振是CMB溫度漲落的一種空間分布形式，它可以提供關(guān)于早期宇宙物理過程的信息。E模偏振主要是由光子與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生，可以提供關(guān)于宇宙中物質(zhì)分布的信息。B模偏振被認(rèn)為是原初引力波在退耦過程中產(chǎn)生的印記，可以提供關(guān)于早期宇宙中是否存在原初引力波的信息。因此，CMB偏振的觀測(cè)對(duì)于理解早期宇宙的物理過程具有重要意義。四、論述題1.論述CMB對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)測(cè)量的重要意義。解析：CMB是宇宙學(xué)研究的基石，它為我們提供了觀測(cè)早期宇宙的窗口。CMB的溫度漲落包含了關(guān)于宇宙起源、演化和最終命運(yùn)的信息。通過分析CMB功率譜，我們可以精確測(cè)量宇宙學(xué)參數(shù)，如宇宙的年齡、物質(zhì)密度、暗能量密度等。這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與大爆炸理論和基本物理定律的預(yù)測(cè)高度一致，為我們理解宇宙的演化提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。此外，CMB還為我們提供了研究早期宇宙物理過程的重要線索，例如原初引力波、軸子等。因此，CMB對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)測(cè)量具有重要意義，它推動(dòng)了宇宙學(xué)的發(fā)展，并為我們理解宇宙提供了新的視角。2.論述CMB偏振研究的最新進(jìn)展及其對(duì)物理學(xué)的影響。解析：CMB偏振研究是當(dāng)前宇宙學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。近年來，隨著CMB偏振探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們?nèi)〉昧嗽S多重要的發(fā)現(xiàn)。例如，BICEP/KeckArray和SPT等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)報(bào)告了可能探測(cè)到的B模偏振信號(hào)，這被interpreted為原初引力波存在的證據(jù)。然而，后續(xù)的觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析表明，這些信號(hào)可能受到foregroundcontamination的影響。盡管如此，CMB偏振研究仍然取得了許多重要的進(jìn)展，例如，Planck衛(wèi)星精確測(cè)量了CMB偏振功率譜，為我們提供了關(guān)于早期宇宙物理過程的重要信息。CMB偏振研究的最新進(jìn)展對(duì)物理學(xué)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，它