Astrophysics in a Nutshell（宇宙物理学要説）

引用

Maoz, D. (2016). Astrophysics in a Nutshell (2nd ed.). Princeton University Press.

章の要約

第2版は312ページで、序文、定数と単位のページ、10の章、付録、索引からなり、各章の末尾に問題が付く。プリンストン大学出版局は、本書を、現代天文学の基盤にある観測データと理論的概念への、簡潔でありながら徹底した、上級学部生・理系専攻向けの入門書と説明している。天文現象に共通する物理原理と、理論と観測の相互作用が重視される。この版では、太陽系外惑星についての新しい章と、大幅に拡充された星間物質の章が加わった。以下の要約は、出版社の目次にある節の見出しに沿っている。

第1章：序論

観測技術についての節がただ1つだけの短い冒頭の章。

第2章：恒星：基本的な観測

黒体放射を復習したうえで、恒星のパラメータの測定とヘルツシュプルング＝ラッセル図を扱う。

第3章：恒星の物理

節の数で見ると最も長い章（12節）。恒星の構造を各部分から組み立てる。静水圧平衡とビリアル定理、質量の連続、放射によるエネルギー輸送、エネルギー保存、恒星構造の方程式、状態方程式と不透明度。続いて、主系列星のスケーリング関係、核エネルギー生成と核反応率、構造方程式の解法、対流に進む。

第4章：恒星の進化と恒星の残骸

恒星の進化のあとに、白色矮星、超新星と中性子星、パルサー、ブラックホール、相互作用する連星が続く。

第5章：星形成と星間物質

雲の収縮と星形成、HII領域、星間物質の構成要素、衝撃波・超新星残骸・宇宙線。出版社は、第2版で衝撃波、超新星残骸、宇宙線加速の扱いが拡充されたと述べている。

第6章：太陽系外惑星

この版で新しく加わった章。惑星の検出法、惑星系の存在頻度と構造、惑星の形成と進化、ハビタブルゾーンと生命探査。

第7章：天の川銀河とその他の銀河

天の川銀河の構造、銀河の分布、活動銀河核とクェーサー、銀河群と銀河団。

第8章：宇宙論：基本的な観測

オルバースのパラドックス、銀河系外の距離、ハッブルの法則、宇宙の時計から求める宇宙の年齢、宇宙の等方性。

第9章：ビッグバン宇宙論

フリードマン＝ルメートル＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）計量とフリードマン方程式、宇宙の歴史と未来、フリードマン方程式のニュートン力学的導出、ダークエネルギーと加速膨張する宇宙。

第10章：ビッグバン宇宙論の検証と探査

宇宙論的赤方偏移とハッブルの法則、宇宙マイクロ波背景放射とその異方性、バリオン音響振動、軽元素の元素合成、宇宙論的探査手段としてのクェーサーやその他の遠方の天体。

主要概念

第2–4章：恒星

• ヘルツシュプルング＝ラッセル図：第2章で導入される、恒星のパラメータ間の観測的関係。
• 恒星構造の方程式：静水圧平衡、質量の連続、エネルギー輸送と保存。状態方程式と不透明度が加わる。
• 恒星の残骸：白色矮星、中性子星とパルサー、ブラックホール。

第5–7章：ガス、惑星、銀河

• 星間物質と星形成：HII領域、衝撃波、超新星残骸、宇宙線。
• 惑星の検出とハビタビリティ：第6章。
• 活動銀河核とクェーサー：第7章。

第8–10章：宇宙論

• フリードマン方程式：第9章でFLRW計量のあとに示され、別にニュートン力学的な導出もある。
• ダークエネルギーと加速：第9章。
• 宇宙論的探査：マイクロ波背景放射、バリオン音響振動、軽元素の元素合成。

批判的分析

長所

• 簡潔さを意図した設計。 出版社は、本書を理系専攻向けの最も簡潔で最新の天体物理学教科書と呼び、導出は単純で短く明快だとしている。第1版の評者は、焦点の定まったテンポの速い教科書だと述べた。グレッグ・ラフリンは、真剣な1学期の課程に無理なく収まる最も幅広い範囲を扱っているとし、『Choice』のK. L. シックは、薄い1冊に多くの内容が詰め込まれていると評した。
• 桁数見積もりの技能。 出版社は、桁数見積もり（オーダー・オブ・マグニチュード）の訓練を特徴に挙げており、シックは、物理を例示し、まずまずの数値解を得られる、概算の計算を称賛した。
• 恒星の物理的な扱い。 第3章の12節は、恒星の構造とエネルギーを完全に導出している。シックは恒星物理の扱いを特に洞察に富むとし、『The Observatory』のレオン・メステルは、数学的議論と物理的論証のバランスに言及した。
• 問題と評価。 各章は問題で終わる。本書はアメリカ天文学会のチェンバリス賞を受賞し、『Choice』の2016年優秀学術書の1つに選ばれた。

短所

• 観測面の基盤が狭い。 序論の章には観測技術の節が1つしかなく、目次には太陽や太陽系を扱う章がない。いずれかが必要な読者は、より広範な概説書が必要になる。
• 圧縮された扱い。 312ページに10章という構成のため、太陽系外惑星（4節）や星間物質のような話題は、完全な叙述ではなく入門的な扱いにとどまる。
• 解答は限定される。 出版社は解答集を教授にのみ提供しているため、独習者には問題の模範解答がない。
• 引用されている評は第1版のもの。 引用された称賛は第1版に対するもので、第2版が加えた新しい内容（惑星、拡充された星間物質、新しい問題、更新された数値）は評者が評価したものではない。

コースにおける位置づけ

天体物理学と宇宙論の書単の中で、マオズは理系の上級生向けの1学期用の簡潔な教科書である。その下に2冊ある。OpenStaxの『Astronomy 2e』は数学をほとんど使わない入門的な天文学の教科書で、ビニーの『Astrophysics: A Very Short Introduction』は高度な数学を使わずに物理過程に集中している。どちらも、マオズの1節だけの序論には欠けている記述的な背景を補える。

同程度のレベルでは、キャロルとオスリーの『An Introduction to Modern Astrophysics』が、観測の基礎と太陽系から始まる微積分ベースの包括的な概説書で、参照書としても有用である。リドルの『An Introduction to Modern Cosmology』は、ニュートン力学的な議論で足りる限りそれを用いるビッグバン宇宙論の短い教科書で、第8–10章の内容の第二の情報源として使える。大学院での学習には、ドーデルソンとシュミットの『Modern Cosmology』が、摂動に対するボルツマン方程式とアインシュタイン方程式を導き、それを宇宙マイクロ波背景放射、銀河の分布、重力レンズに応用する。

本書の使い方

本書は、微積分ベースの力学、電磁気学、熱力学、現代物理学入門を学んだ物理学・天文学の上級学部生のためのものである。天文学の既習は必要ない。

1学期の実践的な進め方：

• 恒星（第2–4章）： 課程の中核。第3章が最も難しく、構造方程式を自分の手で追うことで得るものが大きい。
• 星間物質と惑星（第5–6章）： 短い章で、速く進めてもよいし、課程に応じてどちらかを選んでもよい。
• 銀河と宇宙論（第7–10章）： 第8、9、10章は順に読む。第8章の観測が第9章のフリードマン方程式と第10章の検証の基礎となるからである。
• 問題： 章末問題に取り組む。桁数見積もりの習慣が身につく。学生向けの模範解答はないので、答えは級友や担当教員と照合する。
• 復習： 出版社は、資格試験の復習用、また教員と研究者のための手軽な参考書として本書を勧めている。