2025年大学《天文学》专业题库- 早期宇宙背景辐射的测量与研究

2025年大学《天文学》专业题库——早期宇宙背景辐射的测量与研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题干后的括号内）1.宇宙微波背景辐射（CMB）的主要来源被认为是宇宙大爆炸后约多久释放的光子？A.几分钟B.几十亿年C.38万年D.138亿年2.以下哪项不是彭齐亚斯和威尔逊在1964年探测到“宇宙噪声”时使用的射电望远镜的主要设计目的？A.探测来自遥远射电源的信号B.研究宇宙线粒子C.接收来自宇宙背景的辐射D.观测太阳活动3.使宇宙微波背景辐射接近完美黑体谱（温度约2.7K）的主要原因是？A.辐射在宇宙空间中自由传播了太久B.宇宙经历了剧烈的膨胀，导致辐射峰值频率向低频移动C.辐射与早期宇宙中的粒子持续发生相互作用D.宇宙尘埃对辐射进行了热平衡4.下列哪个卫星/项目主要负责精确测量全天空CMB温度的各向同性？A.COBEFIRASB.WMAPC.PlanckD.BICEP5.宇宙微波背景辐射的温度涨落（各向异性）主要携带了什么信息？A.星系和星云的分布信息B.宇宙中重元素的合成信息C.早期宇宙密度扰动（不均匀性）的信息D.宇宙年龄的确切数值6.以下哪个物理量是描述宇宙微波背景辐射温度涨落强度随角度（或波数）变化的主要指标？A.光度B.角功率谱C.谱密度D.偏振度7.宇宙微波背景辐射的偏振主要分为哪两种基本模式？A.线偏振和圆偏振B.垂直偏振和水平偏振C.E模和B模D.顺时针偏振和逆时针偏振8.在当前的宇宙学模型中，探测到的宇宙微波背景辐射B模偏振的主要理论来源被认为是？A.宇宙尘埃散射B.大尺度结构形成C.原初引力波D.宇宙微波背景辐射的二次辐射9.下列哪项技术不是用于测量宇宙微波背景辐射角功率谱的主要手段？A.全天空温度图的光谱分析B.探测特定天空区域CMB温度随频率的变化C.直接测量CMB的偏振模式D.利用干涉测量原理获取空间功率谱10.宇宙微波背景辐射的测量对于确定宇宙学基本参数（如哈勃常数、物质密度参数Ωm）起到了什么关键作用？A.仅提供了理论验证的数据B.提供了目前最精确的测量值C.仅限用于研究暗能量的性质D.无法提供关于宇宙年龄的信息二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题干横线上）1.预言宇宙微波背景辐射存在的物理理论是__________理论。2.除了温度涨落，宇宙微波背景辐射还表现出__________，这使得我们能够区分不同起源的信号。3.衡量宇宙微波背景辐射各向异性大小程度的国际单位制单位是__________。4.首次精确测量CMB温度各向异性角功率谱的卫星项目是__________。5.宇宙微波背景辐射中，E模偏振主要是由_____________效应产生的。6.探测原初引力波存在的最直接、最灵敏的潜在方法之一是寻找宇宙微波背景辐射中的__________。7.根据大爆炸理论和CMB测量结果，宇宙的年龄估计约为__________年。8.导致宇宙微波背景辐射呈现黑体谱的主要物理过程是_____________。9.宇宙微波背景辐射的温度涨落峰值的角尺度与宇宙的_____________成反比。10.除了提供宇宙早期状态的“快照”，宇宙微波背景辐射的偏振信息还可能帮助我们约束______________的模型参数。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述彭齐亚斯和威尔逊意外发现宇宙微波背景辐射的过程。2.解释什么是宇宙微波背景辐射的温度各向异性，并说明其科学意义。3.简要说明测量宇宙微波背景辐射偏振的方法与测量温度的主要区别。4.为什么说宇宙微波背景辐射是研究早期宇宙的重要窗口？四、论述题（每题10分，共30分）1.论述宇宙微波背景辐射的全天空测量（如FIRAS、Planck）对于验证宇宙大爆炸模型和确定基本宇宙学参数的重要性。2.结合CMB温度涨落和偏振的信息，讨论我们如何利用CMB数据来推断早期宇宙的物理性质和演化历史。3.试述宇宙微波背景辐射研究面临的主要挑战以及未来可能的发展方向。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.C5.C6.B7.C8.C9.A10.B二、填空题1.大爆炸2.偏振3.毫开尔文（mK）4.WMAP5.汤姆逊散射6.B模偏振7.138亿8.宇宙膨胀与冷却9.规模（或哈勃参数的倒数）10.暴胀三、简答题1.解析思路：描述发现背景（射电望远镜接收噪声）、意外发现的信号特征（难以解释的稳定噪声、指向相关性）、初步排除干扰（鸽子羽毛、仪器故障）、最终认识到其宇宙学意义（宇宙背景辐射）。2.解析思路：定义（空间不同位置的微小温度差异）、来源（早期宇宙密度扰动）、意义（提供宇宙早期物理信息的直接证据、用于推断宇宙结构和演化、检验宇宙学模型）。3.解析思路：温度测量（探测黑体辐射的总能量随频率变化，主要看强度变化）、偏振测量（探测电场矢量振动方向的空间分布，需要更复杂的仪器和数据处理，区分E/B模）。4.解析思路：时间窗口（CMB是早期宇宙的“余晖”，提供直接观测）、信息丰富（包含宇宙起源、演化、组分、基本物理规律等多种信息）、窗口清洁（相对较少受现代宇宙尘埃等干扰）。四、论述题1.解析思路：全天空测量确保了统计上的完备性和均匀性，FIRAS精确验证了CMB的黑体谱特性（关键对波段的验证），Planck提供了目前最高精度的CMB温度和偏振全天空图。这些高精度数据使得通过角功率谱精确拟合能够得到宇宙学参数（年龄、物质/能量密度、哈勃常数等）的最优估计值，从而极大地支持和约束了ΛCDM标准宇宙模型。这些测量结果的精确性是检验和确认真理的基础。2.解析思路：CMB温度涨落（角功率谱）揭示了早期宇宙密度扰动的初始分布，这些扰动是形成今天大尺度结构的种子。通过分析涨落统计特性（如标度指数），可以推断早期宇宙的物理过程（如暴胀的指数参数、原初功率谱形式）。CMB偏振，特别是B模，是原初引力波在空间中的“引力透镜”效应留下的印记，探测到B模将提供对暴胀理论的直接证据，并可能揭示量子引力效应。结合温度和偏振信息，可以更全面地约束早期宇宙模型和宇宙组分性质（暗物质、暗能量等），描绘出从宇宙起源到结构形成的完整画卷。3.解析思路：主要挑战包括：克服来自太阳系、银河系及宇宙线的foreground干扰，以获得纯净的CMB信号，特别是对偏振测量；提高观测精度，以探测更弱的CMB信号（如B模偏振、更高红移处的CMB辐射）；发展更先进的数据分析技术，以从海量数据中提取精确的物理信息；结合其他宇宙学探测手段