2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——宇宙背景輻射光子頻譜測量精度考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述宇宙微波背景輻射（CMB）產(chǎn)生的物理機(jī)制及其為何近似遵循黑體輻射譜。二、解釋探測器在CMB頻譜測量中的基本作用。列舉三種不同類型的CMB探測器，并簡述它們在原理或應(yīng)用上的主要區(qū)別。三、定義CMB的角功率譜（PowerSpectrum）。說明角功率譜的主要特征頻率對應(yīng)的物理來源是什么？四、CMB測量中的系統(tǒng)誤差會嚴(yán)重影響頻譜測量的精度。請列舉至少三種主要的系統(tǒng)誤差來源，并簡要說明它們?nèi)绾斡绊憸y量結(jié)果（例如，導(dǎo)致譜偏倚或引入額外噪聲）。五、探測器噪聲是限制CMB頻譜測量精度的重要因素。請區(qū)分散粒噪聲（ShotNoise）和熱噪聲（ThermalNoise）的基本來源，并說明它們通常與哪些探測器參數(shù)（如探測器面積、帶寬、工作溫度）相關(guān)。六、大氣噪聲是地面CMB觀測的主要噪聲來源之一。請說明大氣噪聲的主要成分及其頻率特性，并簡述一種常用的抑制大氣噪聲影響的方法。七、在CMB頻譜測量中，如何區(qū)分來自CMB的溫度漲落信號與來自天體的點源（如恒星、星系）信號？簡述點源扣除的基本思路。八、foregroundcontamination（foregroundcontamination）會對CMB頻譜測量造成顯著影響。請簡述銀河系輻射（包括自由電子散射和熱發(fā)射）對CMB頻譜的主要影響機(jī)制，以及它為何是CMB測量中需要重點關(guān)注和修正的問題。九、簡述角分辨率對CMB頻譜測量精度的影響。為什么提高角分辨率通常有助于提高對低頻（大尺度）物理信息的探測能力？十、現(xiàn)代CMB觀測臺站（如Planck衛(wèi)星）通常采用多通道、寬帶探測陣列。請說明采用這種技術(shù)相對于單通道、窄帶探測的主要優(yōu)勢，尤其是在提高頻譜測量精度方面。十一、請解釋什么是差分測量（DifferentialMeasurement）在CMB頻譜測量中的應(yīng)用，并說明其如何有助于抑制某些類型的系統(tǒng)誤差或提高信噪比。十二、CMB頻譜的精確測量對于確定宇宙學(xué)基本參數(shù)（如哈勃常數(shù)、宇宙年齡）至關(guān)重要。請闡述CMB頻譜測量精度如何影響這些參數(shù)的標(biāo)定，并舉例說明。十三、結(jié)合你所學(xué)知識，討論當(dāng)前CMB頻譜測量面臨的主要挑戰(zhàn)，并指出未來可能的技術(shù)發(fā)展方向或需要解決的關(guān)鍵問題。試卷答案一、宇宙微波背景輻射（CMB）是大爆炸留下的余暉，在早期宇宙處于熱平衡狀態(tài)，具有黑體輻射譜。隨著宇宙膨脹，其溫度迅速下降，退耦后形成我們今天觀測到的接近3K的黑體輻射。其產(chǎn)生機(jī)制涉及早期宇宙的等離子體冷卻、光子退耦以及隨后的再電離等復(fù)雜過程，最終導(dǎo)致相對論性粒子（光子）能夠自由傳播。二、探測器在CMB頻譜測量中負(fù)責(zé)接收來自天空的微弱電磁波信號，并將其轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。不同類型的探測器在探測原理（如基于超導(dǎo)、原子、熱釋電等）、工作頻率、靈敏度、角分辨率、掃描方式或陣列形式等方面存在差異。例如，SQUID探測器通常具有高靈敏度，適用于空間觀測；而超冷原子探測器可能具有較好的頻率分辨率；地面陣列探測器（如SPT、ACT）則通過大型陣列實現(xiàn)高角分辨率。三、CMB的角功率譜（PowerSpectrum）描述了CMB溫度漲落隨角度尺度（或空間波數(shù)）變化的統(tǒng)計分布。其主要特征頻率（如角尺度θ～60°對應(yīng)的低頻端，θ～1°對應(yīng)的頻段）分別對應(yīng)宇宙早期不同物理過程的imprint，低頻端主要反映了宇宙原初密度擾動（種子），高頻端則與宇宙的線性演化階段（如聲波振蕩的imprint）以及可能的非高斯性有關(guān)。四、主要的系統(tǒng)誤差來源包括：1）探測器/陣列的各向異性（非理想的方向性函數(shù)），導(dǎo)致不同方向上的噪聲或信號響應(yīng)不一致，引入虛假的功率譜；2）探測器/系統(tǒng)響應(yīng)隨頻率的變化（色散），破壞黑體譜形狀，引入譜偏倚；3）固定模式噪聲（FocalPlanePatternNoise,FPN），由探測器陣列中相鄰?fù)ǖ阑騿卧南嗷プ饔靡?，表現(xiàn)為頻譜上的固定偏移或振蕩。（注：其他常見來源還包括地面/空間工頻干擾、數(shù)據(jù)標(biāo)定誤差等）五、散粒噪聲（ShotNoise）源于探測光子到達(dá)的隨機(jī)性，其噪聲功率正比于探測到的光子數(shù)（或與帶寬、效率相關(guān)的等效光子數(shù)）的平方根，與探測器面積、帶寬成正比，與工作溫度無關(guān)。熱噪聲（ThermalNoise）源于探測器材料自身的熱激發(fā)，其噪聲功率正比于帶寬和探測器電阻（或與電阻相關(guān)的溫度），與探測器面積無關(guān)，與工作溫度成反比（通常通過制冷降低溫度來抑制）。六、大氣噪聲主要由大氣中的水汽分子對微波信號的散射和吸收引起。其主要成分是水汽散射產(chǎn)生的相干噪聲和來自地面/大氣層的非相干熱輻射。大氣噪聲通常在頻率低于數(shù)百MHz時尤為顯著，并隨觀測高度增加而減弱。常用的抑制方法包括選擇晴朗無云的夜晚觀測、將望遠(yuǎn)鏡指向高于地平線一定角度以避開近地面大氣層、利用多通道組合或數(shù)據(jù)處理算法（如頻率域濾波）進(jìn)行抑制。七、區(qū)分CMB信號與點源信號的方法主要有：1）利用空間濾波器（如高斯濾波器）在不同空間尺度上進(jìn)行濾波，CMB信號在空間上是長程相關(guān)的，而點源通常是局部化的，濾波后點源信號會被削弱或消除，CMB信號則得到保留；2）利用點源catalogs進(jìn)行模型扣除；3）利用不同觀測波段上點源和CMB信號不同的頻率特性進(jìn)行分解。（注：更精確的方法還包括基于統(tǒng)計的分離算法）八、銀河系輻射對CMB頻譜的主要影響機(jī)制包括：1）自由電子散射（Sunyaev-Zeldovich,SZ效應(yīng)），高速運動的電子對沿視線方向的前方熱點源CMB光子進(jìn)行逆康普頓散射，使其能量增加、頻譜藍(lán)移，導(dǎo)致該區(qū)域CMB譜在特定頻段出現(xiàn)偏倚；2）熱發(fā)射，銀河系盤面和halo中的自由電子和帶電粒子會發(fā)射同步輻射、自由自由輻射等，疊加在CMB上，尤其是在低頻段構(gòu)成顯著的foreground。（注：foreground的影響使得銀河系區(qū)域難以進(jìn)行精確的CMB測量，是主要的系統(tǒng)誤差來源之一）九、角分辨率決定了探測器能夠區(qū)分的最小空間尺度。更高的角分辨率意味著能夠探測到更小尺度（更大波數(shù)k）上的溫度漲落。由于CMB角功率譜P(k)隨k增加而衰減（P(k)~k^-3是一個典型冪律），低頻（大尺度）信號對應(yīng)小角尺度，因此提高角分辨率有助于提高對低頻、大尺度物理信息的探測能力和信噪比，從而限制對宇宙學(xué)參數(shù)的系統(tǒng)性偏倚。十、多通道、寬帶探測陣列相對于單通道、窄帶探測的主要優(yōu)勢包括：1）通過寬帶觀測可以覆蓋更寬的頻率范圍，有助于更全面地探測不同頻率特性（如不同偏振模式、不同物理來源）的信號，并提高對整體功率譜的測量精度；2）通過多通道組合可以增加有效帶寬，從而提高信噪比；3）利用不同通道間的相關(guān)性有助于探測和抑制某些類型的系統(tǒng)誤差（如固定模式噪聲）；4）現(xiàn)代陣列設(shè)計（如角分辨優(yōu)化）可以同時提供高頻率分辨率和高空間分辨率。十一、差分測量（DifferentialMeasurement）是指測量兩個不同位置（或頻率）信號的差值。其應(yīng)用在于，如果兩個位置的信號受到相同的天頂角依賴的系統(tǒng)效應(yīng)影響（如部分大氣效應(yīng)、儀器非理想響應(yīng)隨天頂角的緩慢變化），那么這種系統(tǒng)效應(yīng)在差分信號中被大大削弱或消除。這有助于提高對真實物理信號（如CMB各向異性）的信噪比，并抑制某些難以校正的系統(tǒng)誤差。十二、CMB頻譜的精確測量為宇宙學(xué)參數(shù)提供了最嚴(yán)格的標(biāo)定基準(zhǔn)。特別是低頻CMB功率譜（對應(yīng)大尺度擾動）的測量對確定宇宙的幾何形狀（Ω_k）、總物質(zhì)能量密度（Ω_m）以及哈勃常數(shù)（H_0）等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要。高精度的頻譜測量可以更準(zhǔn)確地約束暗能量方程-of-state參數(shù)（w）和中微子質(zhì)量上限等，從而極大地推動了對宇宙起源、演化和最終命運的理解。十三、當(dāng)前CMB頻譜測量面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1）來自銀河系和extragalacticforeground的強(qiáng)contamination，尤其是在低頻和低角度尺度區(qū)域，是限制測量精度和實現(xiàn)完全各向同性測量（如B模）的主要障礙；2）系統(tǒng)誤差的精確建模與抑制，如探測器非理想響應(yīng)、天文效應(yīng)（如大氣閃爍）等，仍然難以完全掌控；3）提高測量精度需要更靈敏、更