2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙背景輻射光子頻譜研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.宇宙微波背景輻射的主要特征是？A.強度隨頻率呈指數(shù)衰減B.具有明顯的藍移C.接近完美黑體輻射，且溫度約為2.7KD.主要由氫原子和氦原子構成2.導致宇宙微波背景輻射存在各向異性的主要原因是？A.宇宙的膨脹B.星系的形成C.氦核的形成D.光子與早期宇宙中的等離子體相互作用3.宇宙微波背景輻射的角功率譜反映了什么信息？A.宇宙的年齡B.宇宙的總物質密度C.宇宙早期不均勻性的大小和尺度分布D.宇宙的膨脹速率4.宇宙微波背景輻射的偏振主要來源于？A.宇宙膨脹引起的多普勒效應B.光子與早期宇宙中的重子物質相互作用C.光子與早期宇宙中的引力子相互作用D.光子在通過不均勻的宇宙等離子體時發(fā)生的斯托克斯相干性破壞5.下列哪項觀測結果為宇宙暴脹理論提供了強有力證據(jù)？A.宇宙的平坦性B.宇宙的加速膨脹C.宇宙微波背景輻射的溫度極小起伏D.宇宙中重子物質的豐度6.估計宇宙年齡的主要依據(jù)是？A.宇宙微波背景輻射的冷卻過程B.宇宙中恒星的演化階段C.宇宙膨脹的速率和距離測量D.宇宙大尺度結構的形成7.下列哪個物理量是描述宇宙學參數(shù)的關鍵？A.光速B.普朗克常數(shù)C.宇宙學距離模量D.玻爾茲曼常數(shù)8.下列哪種儀器主要用于探測宇宙微波背景輻射的偏振？A.COBE衛(wèi)星B.WMAP衛(wèi)星C.Planck衛(wèi)星D.Hubble太空望遠鏡9.下列哪個效應導致了宇宙微波背景輻射的光子經(jīng)歷了一定的弛豫時間？A.宇宙膨脹B.光子與中微子相互作用C.光子與電子相互作用D.宇宙的暴脹10.CMB溫度功率譜的峰值位置與宇宙的什么參數(shù)密切相關？A.總物質密度B.暗能量密度C.宇宙的曲率D.宇宙的膨脹速率二、填空題（每空1分，共20分。請將答案填在題后的橫線上。）1.宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的__________的遺存。2.宇宙微波背景輻射的黑體溫度約為__________K。3.宇宙微波背景輻射的各向異性約為__________。4.宇宙微波背景輻射的角功率譜的第一個峰對應的空間尺度稱為__________。5.宇宙微波背景輻射的偏振主要有__________和__________兩種類型。6.根據(jù)宇宙微波背景輻射的觀測結果，宇宙的平坦性參數(shù)Ω<0xE2><0x82><0x9B>約為__________。7.宇宙微波背景輻射的溫度極小起伏的幅度約為__________μK。8.光子脫耦發(fā)生在宇宙年齡約為__________秒時。9.宇宙微波背景輻射的各向異性主要是由早期宇宙中的__________漲落引起的。10.宇宙微波背景輻射的研究對理解宇宙的__________、__________和__________等方面具有重要意義。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述宇宙微波背景輻射的形成過程。2.解釋什么是宇宙微波背景輻射的角功率譜。3.簡述宇宙微波背景輻射偏振的觀測意義。4.簡述宇宙微波背景輻射如何約束宇宙學參數(shù)。四、計算題（每題10分，共20分。請列出必要的公式和計算步驟。）1.假設宇宙是平坦的，且宇宙中只有物質和暗能量，請根據(jù)宇宙微波背景輻射的觀測結果估算宇宙的年齡。2.已知宇宙微波背景輻射在頻率ν=150MHz時的溫度為2.7K，請計算該頻率下CMB光子的能量。五、論述題（10分。請結合所學知識，回答下列問題。）簡述宇宙微波背景輻射研究對探索暗物質和暗能量的啟示。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.C4.D5.C6.C7.C8.C9.C10.C二、填空題1.余暉2.2.73.10<0xE-6>4.角尺度5.偏振6.17.0.0038.38萬年9.密度10.起源11.演化12.結構三、簡答題1.宇宙早期處于高溫高密狀態(tài)，光子與物質處于強相互作用。隨著宇宙膨脹，溫度降低，光子能量減小，當溫度降至約3000K時，光子與物質相互作用減弱，光子開始自由傳播，形成宇宙微波背景輻射。光子在傳播過程中，由于早期宇宙的密度漲落，其能量和方向發(fā)生改變，最終到達我們觀測到的空間。解析思路：本題考察CMB形成的基本過程，需要學生理解早期宇宙的溫度、密度變化以及光子與物質相互作用的關系。2.宇宙微波背景輻射的角功率譜描述了CMB溫度在空間不同角度上的統(tǒng)計分布情況。它反映了早期宇宙中密度不均勻性的大小和尺度分布信息。角功率譜的第一個峰對應著早期宇宙中密度不均勻性的尺度，這個尺度與宇宙的哈勃半徑在光子脫耦時相當。解析思路：本題考察學生對CMB角功率譜的理解，需要學生知道角功率譜的定義、物理意義以及與早期宇宙密度漲落的關系。3.CMB偏振是光子偏振態(tài)的分布，它包含了比溫度各向異性更豐富的宇宙信息。CMB偏振主要來源于光子在通過早期宇宙不均勻等離子體時發(fā)生的斯托克斯相干性破壞。觀測CMB偏振可以幫助我們研究早期宇宙的密度擾動性質、檢驗宇宙學模型以及尋找原初引力波信號。解析思路：本題考察CMB偏振的觀測意義，需要學生理解CMB偏振的產(chǎn)生機制以及其與早期宇宙物理過程的關系。4.CMB是宇宙早期遺留下來的“快照”，它記錄了早期宇宙的物理狀態(tài)和演化歷史。通過觀測CMB的溫度和偏振信息，我們可以約束宇宙學參數(shù)，例如宇宙的幾何形狀、物質組成、膨脹速率等。CMB觀測結果為宇宙學提供了強有力的證據(jù)，并推動了對暗物質、暗能量等宇宙基本問題的研究。解析思路：本題考察CMB對宇宙學參數(shù)的約束作用，需要學生理解CMB觀測數(shù)據(jù)的物理意義以及其對宇宙學模型的影響。四、計算題1.根據(jù)宇宙學模型，宇宙的年齡T可以表示為：T=1/H?*ln(1+z)其中H?是哈勃常數(shù)，z是紅移。由于宇宙是平坦的，我們可以利用宇宙微波背景輻射的角功率譜來估算哈勃常數(shù)H?。根據(jù)觀測結果，H?約為67.4km/s/Mpc。假設紅移z=0，則宇宙的年齡約為：T≈13.8億年解析思路：本題考察學生運用宇宙學公式進行計算的能力，需要學生知道宇宙學基本公式以及如何利用CMB觀測結果估算哈勃常數(shù)。2.CMB光子的能量E可以表示為：E=hν其中h是普朗克常數(shù)，ν是頻率。已知普朗克常數(shù)h約為6.626x10?3?J·s，頻率ν=150MHz=150x10?Hz，則CMB光子的能量約為：E≈1.987x10?2?J解析思路：本題考察學生運用基本物理公式進行計算的能力，需要學生知道普朗克常數(shù)和光子能量與頻率的關系。五、論述題宇宙微波背景輻射作為宇宙早期的“快照”，其觀測結果對探索暗物質和暗能量提供了重要線索。首先，CMB的溫度偏振信息可以用來約束原初引力波的存在。如果存在原初引力波，它會在光子脫耦時留下特定的偏振模式，即B模偏振。目前，Planck衛(wèi)星等實驗已經(jīng)探測到了B模偏振的證據(jù)，這為暗能量的起源提供了新的可能性。其次，CMB角功率譜的測量結果與宇宙學標準模型存在一定的偏差，例如偏振功率譜的幅度與理論預測不符。這些偏差可能暗示著標準模型的不足，需要引入新的物理機制，例如修正的引力理論或新的暗物質種類。此外，CMB與超大質量黑洞吸積盤等天體的聯(lián)合觀測