2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫——早期宇宙背景輻射的測量與研究考試時間：______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(xiàng)字母填在題干后的括號內(nèi)）1.宇宙微波背景輻射（CMB）的主要來源被認(rèn)為是宇宙大爆炸后約多久釋放的光子？A.幾分鐘B.幾十億年C.38萬年D.138億年2.以下哪項(xiàng)不是彭齊亞斯和威爾遜在1964年探測到“宇宙噪聲”時使用的射電望遠(yuǎn)鏡的主要設(shè)計(jì)目的？A.探測來自遙遠(yuǎn)射電源的信號B.研究宇宙線粒子C.接收來自宇宙背景的輻射D.觀測太陽活動3.使宇宙微波背景輻射接近完美黑體譜（溫度約2.7K）的主要原因是？A.輻射在宇宙空間中自由傳播了太久B.宇宙經(jīng)歷了劇烈的膨脹，導(dǎo)致輻射峰值頻率向低頻移動C.輻射與早期宇宙中的粒子持續(xù)發(fā)生相互作用D.宇宙塵埃對輻射進(jìn)行了熱平衡4.下列哪個衛(wèi)星/項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)精確測量全天空CMB溫度的各向同性？A.COBEFIRASB.WMAPC.PlanckD.BICEP5.宇宙微波背景輻射的溫度漲落（各向異性）主要攜帶了什么信息？A.星系和星云的分布信息B.宇宙中重元素的合成信息C.早期宇宙密度擾動（不均勻性）的信息D.宇宙年齡的確切數(shù)值6.以下哪個物理量是描述宇宙微波背景輻射溫度漲落強(qiáng)度隨角度（或波數(shù)）變化的主要指標(biāo)？A.光度B.角功率譜C.譜密度D.偏振度7.宇宙微波背景輻射的偏振主要分為哪兩種基本模式？A.線偏振和圓偏振B.垂直偏振和水平偏振C.E模和B模D.順時針偏振和逆時針偏振8.在當(dāng)前的宇宙學(xué)模型中，探測到的宇宙微波背景輻射B模偏振的主要理論來源被認(rèn)為是？A.宇宙塵埃散射B.大尺度結(jié)構(gòu)形成C.原初引力波D.宇宙微波背景輻射的二次輻射9.下列哪項(xiàng)技術(shù)不是用于測量宇宙微波背景輻射角功率譜的主要手段？A.全天空溫度圖的光譜分析B.探測特定天空區(qū)域CMB溫度隨頻率的變化C.直接測量CMB的偏振模式D.利用干涉測量原理獲取空間功率譜10.宇宙微波背景輻射的測量對于確定宇宙學(xué)基本參數(shù)（如哈勃常數(shù)、物質(zhì)密度參數(shù)Ωm）起到了什么關(guān)鍵作用？A.僅提供了理論驗(yàn)證的數(shù)據(jù)B.提供了目前最精確的測量值C.僅限用于研究暗能量的性質(zhì)D.無法提供關(guān)于宇宙年齡的信息二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題干橫線上）1.預(yù)言宇宙微波背景輻射存在的物理理論是__________理論。2.除了溫度漲落，宇宙微波背景輻射還表現(xiàn)出__________，這使得我們能夠區(qū)分不同起源的信號。3.衡量宇宙微波背景輻射各向異性大小程度的國際單位制單位是__________。4.首次精確測量CMB溫度各向異性角功率譜的衛(wèi)星項(xiàng)目是__________。5.宇宙微波背景輻射中，E模偏振主要是由_____________效應(yīng)產(chǎn)生的。6.探測原初引力波存在的最直接、最靈敏的潛在方法之一是尋找宇宙微波背景輻射中的__________。7.根據(jù)大爆炸理論和CMB測量結(jié)果，宇宙的年齡估計(jì)約為__________年。8.導(dǎo)致宇宙微波背景輻射呈現(xiàn)黑體譜的主要物理過程是_____________。9.宇宙微波背景輻射的溫度漲落峰值的角尺度與宇宙的_____________成反比。10.除了提供宇宙早期狀態(tài)的“快照”，宇宙微波背景輻射的偏振信息還可能幫助我們約束______________的模型參數(shù)。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述彭齊亞斯和威爾遜意外發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的過程。2.解釋什么是宇宙微波背景輻射的溫度各向異性，并說明其科學(xué)意義。3.簡要說明測量宇宙微波背景輻射偏振的方法與測量溫度的主要區(qū)別。4.為什么說宇宙微波背景輻射是研究早期宇宙的重要窗口？四、論述題（每題10分，共30分）1.論述宇宙微波背景輻射的全天空測量（如FIRAS、Planck）對于驗(yàn)證宇宙大爆炸模型和確定基本宇宙學(xué)參數(shù)的重要性。2.結(jié)合CMB溫度漲落和偏振的信息，討論我們?nèi)绾卫肅MB數(shù)據(jù)來推斷早期宇宙的物理性質(zhì)和演化歷史。3.試述宇宙微波背景輻射研究面臨的主要挑戰(zhàn)以及未來可能的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.C6.B7.C8.C9.A10.B二、填空題1.大爆炸2.偏振3.毫開爾文（mK）4.WMAP5.湯姆遜散射6.B模偏振7.138億8.宇宙膨脹與冷卻9.規(guī)模（或哈勃參數(shù)的倒數(shù)）10.暴脹三、簡答題1.解析思路：描述發(fā)現(xiàn)背景（射電望遠(yuǎn)鏡接收噪聲）、意外發(fā)現(xiàn)的信號特征（難以解釋的穩(wěn)定噪聲、指向相關(guān)性）、初步排除干擾（鴿子羽毛、儀器故障）、最終認(rèn)識到其宇宙學(xué)意義（宇宙背景輻射）。2.解析思路：定義（空間不同位置的微小溫度差異）、來源（早期宇宙密度擾動）、意義（提供宇宙早期物理信息的直接證據(jù)、用于推斷宇宙結(jié)構(gòu)和演化、檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型）。3.解析思路：溫度測量（探測黑體輻射的總能量隨頻率變化，主要看強(qiáng)度變化）、偏振測量（探測電場矢量振動方向的空間分布，需要更復(fù)雜的儀器和數(shù)據(jù)處理，區(qū)分E/B模）。4.解析思路：時間窗口（CMB是早期宇宙的“余暉”，提供直接觀測）、信息豐富（包含宇宙起源、演化、組分、基本物理規(guī)律等多種信息）、窗口清潔（相對較少受現(xiàn)代宇宙塵埃等干擾）。四、論述題1.解析思路：全天空測量確保了統(tǒng)計(jì)上的完備性和均勻性，F(xiàn)IRAS精確驗(yàn)證了CMB的黑體譜特性（關(guān)鍵對波段的驗(yàn)證），Planck提供了目前最高精度的CMB溫度和偏振全天空圖。這些高精度數(shù)據(jù)使得通過角功率譜精確擬合能夠得到宇宙學(xué)參數(shù)（年齡、物質(zhì)/能量密度、哈勃常數(shù)等）的最優(yōu)估計(jì)值，從而極大地支持和約束了ΛCDM標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。這些測量結(jié)果的精確性是檢驗(yàn)和確認(rèn)真理的基礎(chǔ)。2.解析思路：CMB溫度漲落（角功率譜）揭示了早期宇宙密度擾動的初始分布，這些擾動是形成今天大尺度結(jié)構(gòu)的種子。通過分析漲落統(tǒng)計(jì)特性（如標(biāo)度指數(shù)），可以推斷早期宇宙的物理過程（如暴脹的指數(shù)參數(shù)、原初功率譜形式）。CMB偏振，特別是B模，是原初引力波在空間中的“引力透鏡”效應(yīng)留下的印記，探測到B模將提供對暴脹理論的直接證據(jù)，并可能揭示量子引力效應(yīng)。結(jié)合溫度和偏振信息，可以更全面地約束早期宇宙模型和宇宙組分性質(zhì)（暗物質(zhì)、暗能量等），描繪出從宇宙起源到結(jié)構(gòu)形成的完整畫卷。3.解析思路：主要挑戰(zhàn)包括：克服來自太陽系、銀河系及宇宙線的foreground干擾，以獲得純凈的CMB信號，特別是對偏振測量；提高觀測精度，以探測更弱的CMB信號（如B模偏振、更高紅移處的CMB輻射）；發(fā)展更先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以從海量數(shù)據(jù)中提取精確的物理信息；結(jié)合其他宇宙學(xué)探測手段