2025年大學《天文學》專業(yè)題庫——宇宙背景輻射與宇宙微波背景考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.預言宇宙早期存在黑體輻射余暉的主要科學家是？A.愛因斯坦B.阿爾芬德萊特C.哈勃D.彭齊亞斯2.首次成功探測到宇宙微波背景輻射的科學家是？A.羅杰·彭羅斯B.馬丁·里斯C.阿諾·彭齊亞斯與羅伯特·威爾遜D.歐文·張伯倫3.宇宙微波背景輻射目前最接近于哪種溫度的黑體輻射？A.室溫黑體B.太陽表面溫度的黑體C.3開爾文黑體D.深空背景溫度的黑體4.宇宙微波背景輻射的主要組成成分是？A.原子核和中子B.質(zhì)子和電子C.中性原子D.光子（電磁輻射）5.導致宇宙微波背景輻射具有黑體譜的主要原因是？A.光子在宇宙早期與重粒子頻繁散射B.宇宙膨脹使早期輻射冷卻C.光子在退耦時達到了熱平衡D.宇宙空間的各向異性6.宇宙微波背景輻射的溫度漲落（各向異性）主要來源于？A.宇宙膨脹速率的變化B.宇宙空間幾何形狀的差異C.早期宇宙中微小的密度擾動D.星系形成過程中的能量釋放7.探測宇宙微波背景輻射溫度漲落的關鍵技術之一是利用？A.光譜分析儀B.偏振測量C.磁強計D.射電望遠鏡的強度計8.宇宙微波背景輻射的角功率譜在多大尺度附近出現(xiàn)第一個峰值？這一峰值主要反映了宇宙的什么性質(zhì)？A.在極小尺度，反映暗能量的性質(zhì)B.在中等尺度，反映重子物質(zhì)的比例C.在特定尺度，反映宇宙的幾何平坦性D.在最大尺度，反映宇宙的年齡9.宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)主要證實了哪個重要的宇宙學預言？A.宇宙膨脹理論B.大爆炸核合成理論C.宇宙恒定密度模型D.宇宙暗物質(zhì)存在假說10.將宇宙微波背景輻射溫度從早期的高溫降低到當前約3K的主要原因是？A.宇宙物質(zhì)密度下降B.宇宙空間膨脹導致輻射波長拉伸，能量降低C.星系形成吸走了部分輻射能量D.宇宙中微子冷卻二、填空題（請將答案填入橫線處）1.預言宇宙背景輻射存在并計算其溫度的著名公式被稱為______關系式。2.除了溫度漲落，宇宙微波背景輻射還表現(xiàn)出______和______兩種偏振。3.探測到宇宙微波背景輻射異常信號（如CMB-S4項目關注的中性氫原子21厘米信號）可能有助于揭示宇宙極早期______的存在。4.宇宙微波背景輻射的溫度漲落角功率譜的第一個峰對應于宇宙年齡約為______的時期。5.宇宙微波背景輻射的極早期（光子退耦前）存在于一個稱為______的狀態(tài)。三、簡答題1.簡述從宇宙早期的高溫等離子體狀態(tài)到宇宙微波背景輻射形成（光子退耦）的主要物理過程及其意義。2.簡述測量宇宙微波背景輻射溫度漲落的基本原理，并說明為什么需要測量其偏振信息。3.簡述宇宙微波背景輻射的角功率譜（PowerSpectrum）對現(xiàn)代宇宙學的主要貢獻。四、論述題1.論述宇宙微波背景輻射為何被稱為宇宙學的“驗尸場”，它為理解宇宙的起源和演化提供了哪些關鍵信息？2.結(jié)合觀測事實，論述宇宙微波背景輻射的主要特性（溫度、黑體譜、漲落等）如何支持Lambda-CDM宇宙學模型。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.D5.C6.C7.B8.C9.B10.B二、填空題1.普朗克2.偏振3.原初引力波4.38萬5.光子-重子湯三、簡答題1.解析思路：首先說明早期宇宙是高溫高密等離子體，光子與粒子（電子、原子核等）頻繁散射，無法自由傳播。隨著宇宙膨脹和冷卻，當溫度降至約3000K時，發(fā)生光子退耦（Recombination/BBN末期）。此時，中性原子形成，光子不再頻繁散射，可以自由穿梭宇宙空間，攜帶著當時宇宙的“快照”信息，逐漸冷卻形成我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。這個過程標志著宇宙從“黑暗時代”進入“光子透明時代”，是理解CMB產(chǎn)生的基礎。2.解析思路：首先解釋測量溫度漲落需要探測微小溫差，因此需要高靈敏度的差分測量技術?？梢蕴峒叭绾瓮ㄟ^比較不同天區(qū)或不同空間位置的輻射強度來測量溫度差異。接著說明僅僅測量強度（亮度）不夠，因為大氣湍流等會引入虛假的溫度變化（系統(tǒng)誤差），需要利用CMB的偏振信息（E模和B模）來分離真實漲落和系統(tǒng)誤差，特別是B模偏振與原初引力波相關，測量偏振是當前前沿研究的關鍵。3.解析思路：首先說明角功率譜是描述溫度漲落隨空間角度變化的統(tǒng)計函數(shù)，峰值位置對應特定物理尺度。然后逐一論述：①峰值位置確定了宇宙視界在退耦時的大小，從而可以反推宇宙當時的年齡；②峰值的高度和形狀反映了早期宇宙的密度擾動幅度和統(tǒng)計性質(zhì)，是檢驗宇宙學基本參數(shù)（如奧米克常數(shù)、物質(zhì)密度參數(shù)）的關鍵；③功率譜的具體形式與Lambda-CDM模型預測基本吻合，為該模型提供了強有力的證據(jù)；④譜上的精細特征（如峰值位置、高度、寬度）可以用來約束暗能量、暗物質(zhì)等非標準模型成分的性質(zhì)。四、論述題1.解析思路：首先闡述CMB是宇宙早期遺留下來的“余暉”，幾乎遍及整個宇宙，具有極高的均勻性和各向同性，其極其微小的溫度漲落（十萬分之一）蘊含著早期宇宙的豐富信息，如同打開了一扇回望宇宙起源的窗口，故稱“驗尸場”。然后具體說明它提供了哪些信息：①確定了宇宙的年齡（通過峰值位置）；②精確測量了宇宙的幾何形狀（通過功率譜的偏差判斷是否平坦）；③確定了宇宙的組成成分（重子物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量的比例）；④揭示了宇宙結(jié)構的起源（密度擾動是形成星系、星系團等大尺度結(jié)構的種子）；⑤為檢驗基本物理定律在宇宙極端條件下的有效性提供了平臺。2.解析思路：首先強調(diào)Lambda-CDM模型是目前被廣泛接受的宇宙學標準模型。然后結(jié)合觀測事實論述：①CMB黑體譜精確符合普朗克輻射定律，驗證了早期宇宙處于熱平衡狀態(tài)，支持了熱大爆炸模型；②CMB溫度非常接近各向同性（均勻性），為宇宙是大尺度均勻各向同性（宇宙學原理）提供了強有力證據(jù)；③CMB溫度漲落角功率譜的形態(tài)（一個主峰，次峰等）與Lambda-CDM模型預測的從宇宙微波背景不穩(wěn)定性（量子漲落被放大）到宇宙暴脹（指數(shù)膨脹平滑長波擾動，壓縮短波擾動）再到退耦形成的功率譜高度吻合；④通過擬合功率