高考申論題
105年
[天文] 宇宙學
第 一 題
📖 題組：
高紅移的宇宙：
高紅移的宇宙：
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
為什麼一些高紅移(z > 6)的天體很難被觀測到？除了因為距離遙遠而變暗外，請提出至少二種其它的可能原因。（10 分）
思路引導 VIP
看到高紅移 (z > 6)，首先應聯想到早期宇宙的物理環境（再電離時期）與廣義相對論的光學效應。解題時除了排除題目已提及的「距離遙遠造成的通量衰減（平方反比律）」，可從「星系際介質的吸收（如 Gunn-Peterson 效應）」、「光譜紅移導致的波段偏移（觀測儀器限制）」以及「宇宙學表面亮度遞減（Tolman效應）」等三個物理機制進行切入與論述。
小題 (二)
宇宙學中的再游離現象是指什麼？為何會發生再游離？（10 分）
思路引導 VIP
看到此題，應先在腦海中建構宇宙演化時間線：從復合時期（宇宙變為中性）到第一代恆星誕生的「黑暗時代」結束。接著從物理機制的角度，解釋第一代發光天體如何釋放高能紫外光子，將星系際介質中的中性氫重新游離。
高紅移天體觀測限制
💡 分析中性氫吸收、紅移波段偏移及表面亮度衰減之三大限制。
🔗 高紅移光子觀測衰減鏈
- 1 中性氫吸收 — Gunn-Peterson 槽完全遮蔽短波輻射
- 2 波長紅移 — 光子波長隨膨脹拉長，偏移至紅外波段
- 3 亮度驟減 — Tolman 效應使表面亮度呈四次方衰減
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🔄 延伸學習：延伸：此演化鏈說明為何觀測早期宇宙必須使用紅外線太空望遠鏡。
