現代天体物理学入門

引用

Carroll, B. W., & Ostlie, D. A. (2017). An Introduction to Modern Astrophysics (2nd ed.). Cambridge University Press.

章の要約

本書は4部30章からなり、1,200ページを超える。付録には定数、データ表、短い計算機コードが収められている。ケンブリッジ版は、2007年にPearsonが出版した第2版の再刊である。各章は番号付きの節に分かれ、小見出しが付いている。これは、講義担当者が読み飛ばしたり省略したりできるよう、著者が加えたものである。

第I部　天文学の道具：第1–2章

第1章「天球」は、ギリシャの伝統、コペルニクス革命、天球上の位置、物理学と天文学の関係を扱う。第2章「天体力学」は、楕円軌道、ニュートン力学、ケプラーの法則の導出、ビリアル定理を扱う。

第I部：第3–6章

第3章「光の連続スペクトル」は、恒星の年周視差、等級、光の波動性、黒体放射、エネルギーの量子化、色指数を取り上げる。第4章は特殊相対性理論を、第5章は光と物質の相互作用を、スペクトル線、光子、ボーア模型、量子力学の入門とともに扱う。第6章「望遠鏡」は、基礎的な光学、光学望遠鏡、電波望遠鏡とその他の波長の望遠鏡、全天サーベイを扱う。

第II部　恒星の性質：第7–9章

第7章は連星系を使って恒星のパラメーターを決定し、太陽系外惑星の探索で終わる。第8章は、スペクトル線の形成、スペクトルの分類、ヘルツシュプルング・ラッセル図を扱う。第9章「恒星大気」は、放射場、不透明度、放射輸送、輸送方程式、線輪郭を扱う。

第10–11章：恒星の内部／太陽

第10章は、静水圧平衡、状態方程式、エネルギー源、エネルギー輸送、モデル構築、主系列を展開する。第11章はこれを太陽に応用し、その内部、大気、太陽周期を扱う。

第12–14章：星間物質と星形成／主系列と主系列後の恒星進化／恒星の脈動

第12章は、星間のダストとガス、原始星、前主系列進化を扱う。第13章は、主系列とその後の進化を追い、星団で終わる。第14章は、脈動星の観測と物理を、非動径脈動、太陽振動学、星震学を含めて扱う。

第15–16章：大質量星の運命／恒星の縮退した残骸

第15章は、大質量星が超新星に至るまでを、超新星の分類、重力崩壊型超新星、ガンマ線バースト、宇宙線とともに追う。第16章は、白色矮星、縮退物質の物理、チャンドラセカール限界、中性子星、パルサーを扱う。

第17–18章：一般相対性理論とブラックホール／近接連星系

第17章は、一般相対性理論、間隔と測地線、ブラックホールを導入する。第18章は連星に戻り、近接系での重力、降着円盤、相互作用連星、Ia型超新星、連星中の中性子星とブラックホールを扱う。

第III部　太陽系：第19–23章

太陽系における物理過程（概観、潮汐力、大気の物理）が最初に置かれ、続いて地球型惑星、衛星と環をもつ巨大惑星、小天体（冥王星とカロン、彗星、カイパーベルト天体、小惑星、隕石）が扱われる。第23章は、太陽系外の惑星系と、惑星系の形成と進化を扱う。

第IV部　銀河と宇宙：第24–26章

第24章は天の川銀河（星の計数、形態、運動学、銀河中心）、第25章は銀河の性質（ハッブル系列、渦巻銀河と不規則銀河、渦状腕、楕円銀河）、第26章は銀河の進化を、銀河の相互作用と形成を通じて扱う。

第27–28章：宇宙の構造／活動銀河

第27章は、銀河系外の距離尺度、宇宙の膨張、銀河団を扱う。第28章は、活動銀河の観測、活動銀河核の統一モデル、電波ローブとジェット、クェーサーを探査手段として使うことを扱う。

第29–30章：宇宙論／初期宇宙

第29章は、ニュートン宇宙論、宇宙マイクロ波背景放射、相対論的宇宙論、観測的宇宙論を展開する。第30章は、極初期宇宙とインフレーション、構造の起源で締めくくる。

主要概念

第I部：道具（第1–6章）

• ケプラーの法則とビリアル定理：第2章でニュートン力学から導かれる結果。
• 黒体放射と等級：星の光を記述するための基本的な量。
• スペクトル線と量子力学：第5章の光と物質の相互作用。

第II部：恒星（第7–18章）

• ヘルツシュプルング・ラッセル図：スペクトルと光度による恒星の分類。
• 放射輸送と静水圧平衡：恒星の大気と内部の物理。
• 縮退物質とチャンドラセカール限界：白色矮星と中性子星の物理。
• 降着円盤：近接連星系での物質の流れ。

第III–IV部：太陽系、銀河、宇宙論（第19–30章）

• 潮汐力と惑星大気：第19章の物理過程。
• ハッブル系列と銀河系外距離尺度：銀河の分類と距離の測定。
• 活動銀河核の統一モデル：観測される複数のクラスを1つの描像で説明する。
• 宇宙マイクロ波背景放射とインフレーション：初期宇宙の証拠と理論。

批判的分析

長所

• 1冊での幅広さ。 4つの部が道具、恒星、太陽系、銀河、宇宙論をカバーするので、著者が提案するとおり、1冊で恒星の講義にも1年間の概観にも使える。
• モジュール式の設計。 序文は、本文を講義担当者が選ぶ「ごった煮」（スモーガスボード）として示し、著者は最初の18章を、省略を加えながら、1学期の恒星天体物理学の講義に使ったと述べている。
• 物理を土台にした方法。 著者は、学生の物理の素養を利用し、単純なモデルに基づく大まかな見積もりを好み、内容を原形がわからないほど単純化することはしないと述べている。特殊相対性理論と量子物理学の章が、本文に必要な現代物理学を補っている。
• 計算が組み込まれている。 序文は、惑星軌道、連星、恒星モデル、銀河の潮汐相互作用についての計算機問題と完全なコードを挙げており、付録に収められてダウンロードもできる。出版社は、さらに例題と章末問題があると述べている。

短所

• 一部が古い。 この版の本文は、2007年の第2版のものである。序文には193個の既知の太陽系外惑星が挙げられ、仮の名称のままのカイパーベルト天体が論じられているため、データに基づく節は現在の知見より遅れている。
• 非常に大きな本。 1,200ページを超えるので、1つの講義では扱いきれない。著者自身が、講義担当者による取捨選択を想定している。
• 包括的である分、深さには限りがある。 宇宙論は2章（第29–30章）、恒星の内部は1章（第10章）であり、ある話題をさらに深く学びたい読者には専門書が必要になる。
• 数学的レベル。 出版社は、微積分を用いた1年次の物理を学んだ天文学・物理学専攻の学生を対象としており、著者は近似的な計算を好むため、導出は大学院レベルの教科書に匹敵することを意図していない。

コースにおける位置づけ

本書は、天体物理学・宇宙論のコースの書籍リストにおける、学部上級向けの包括的な概観である。Fraknoi、Morrison、Wolff の OpenStax Astronomy 2e は、数学をほとんど使わないオープンな入門書であり、Binney の Astrophysics: A Very Short Introduction は、高度な数学を使わずに天体の背後にある物理過程を述べる。Maoz の Astrophysics in a Nutshell は、短い導出と桁の見積もりの水準で主要な結果を導く簡潔な1学期用教科書で、Carroll と Ostlie よりも素早くコンパクトな道筋に向いている。宇宙論をさらに深く学ぶには、Liddle の An Introduction to Modern Cosmology がビッグバン宇宙論への短い学部向け入門であり、Dodelson と Schmidt の Modern Cosmology は揺らぎと宇宙マイクロ波背景放射を扱う大学院教科書で、第29–30章の自然な続編になる。

本書の使い方

出版社は、本書が微積分を用いた1年次の入門物理を学んだ天文学・物理学専攻の学生に向いていると述べている。著者は、その講義を受けた人なら主要な概念のほとんどを理解できると述べ、第4章と第5章が、必要な読者に特殊相対性理論と量子物理学を補うとしている。

実践的な進め方は次のとおりである。

• 1学期の恒星の講義： 道具として第1–3章と第5–6章、続いて第7–13章と第14–18章の一部。著者自身が最初の18章をこのように使っている。
• 全分野の概観： 第I部と第II部を選択的に読み、続いて太陽系の第19–23章、銀河の第24–28章、宇宙論の第29–30章。小見出しを使って読み飛ばす。
• 宇宙論の追加： 第24–30章は2つ目の講義として独立でき、そのあとで Liddle または Dodelson と Schmidt に進む。

例題を解き、章末問題に取り組み、少なくとも1つの計算機コード（軌道計算と恒星構造のプログラムがよい選択である）を試すこと。数値計算には、定数とデータ表の付録を使う。