现代天体物理学导论

引用

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

章节概要

全书分四部分、共三十章，篇幅超过1,200页，附录包含常数、数据表和简短的计算机程序。剑桥版是Pearson于2007年出版的第二版的重印。各章分为带编号的小节，并有小标题，这是作者为方便教师略读或省略部分内容而增加的。

第一部分 天文学的工具：第1–2章

第1章《天球》讲希腊传统、哥白尼革命、天球上的位置以及物理学与天文学的关系。第2章《天体力学》讲椭圆轨道、牛顿力学、开普勒定律的推导和位力定理。

第一部分：第3–6章

第3章《光的连续谱》涉及恒星视差、星等、光的波动性、黑体辐射、能量量子化与色指数。第4章讲狭义相对论，第5章讲光与物质的相互作用，包括谱线、光子、玻尔模型以及量子力学入门。第6章《望远镜》讲基础光学、光学望远镜、射电及其他波段的望远镜以及全天巡天。

第二部分 恒星的性质：第7–9章

第7章借助双星系统来测定恒星参数，最后讲到系外行星的搜寻。第8章讲谱线的形成、光谱分类和赫罗图。第9章《恒星大气》讲辐射场、不透明度、辐射转移、转移方程和谱线轮廓。

第10–11章：恒星的内部；太阳

第10章讲流体静力学平衡、物态方程、能源、能量输运、模型构建和主序。第11章把这些应用到太阳：太阳内部、太阳大气和太阳活动周期。

第12–14章：星际介质与恒星形成；主序及主序后的恒星演化；恒星脉动

第12章讲星际尘埃与气体、原恒星和主序前演化。第13章追踪主序上及主序之后的演化，最后讲星团。第14章讲脉动星的观测与物理，包括非径向脉动、日震学与星震学。

第15–16章：大质量恒星的归宿；恒星的简并遗迹

第15章追踪大质量恒星直至超新星，涉及超新星的分类、核心坍缩、伽马射线暴和宇宙线。第16章讲白矮星、简并物质的物理、钱德拉塞卡极限、中子星和脉冲星。

第17–18章：广义相对论与黑洞；密近双星系统

第17章介绍广义相对论、间隔与测地线以及黑洞。第18章回到双星：密近系统中的引力、吸积盘、相互作用双星、Ia型超新星，以及双星中的中子星与黑洞。

第三部分 太阳系：第19–23章

首先是太阳系中的物理过程（概览、潮汐力和大气物理），随后是类地行星、带有卫星和星环的巨行星，以及小天体（冥王星与卡戎、彗星、柯伊伯带天体、小行星和陨石）。第23章讲太阳系外行星系统以及行星系统的形成与演化。

第四部分 星系与宇宙：第24–26章

第24章描述银河系（恒星计数、形态、运动学与银心），第25章讲星系的性质（哈勃序列、旋涡星系与不规则星系、旋涡结构和椭圆星系），第26章通过星系的相互作用与形成来讲星系演化。

第27–28章：宇宙的结构；活动星系

第27章讲河外距离尺度、宇宙膨胀和星系团。第28章讲活动星系的观测、活动星系核的统一模型、射电瓣与喷流，以及用类星体作为探针。

第29–30章：宇宙学；早期宇宙

第29章展开牛顿宇宙学、宇宙微波背景、相对论宇宙学和观测宇宙学。第30章以极早期宇宙与暴胀、结构的起源收尾。

核心概念

第一部分：工具（第1–6章）

• 开普勒定律与位力定理：在第2章中由牛顿力学导出的结果。
• 黑体辐射与星等：描述星光的基本量。
• 谱线与量子力学：第5章中光与物质的相互作用。

第二部分：恒星（第7–18章）

• 赫罗图：依据光谱和光度对恒星分类。
• 辐射转移与流体静力学平衡：恒星大气与内部的物理。
• 简并物质与钱德拉塞卡极限：白矮星与中子星的物理。
• 吸积盘：密近双星系统中的物质流动。

第三、四部分：太阳系、星系与宇宙学（第19–30章）

• 潮汐力与行星大气：第19章的物理过程。
• 哈勃序列与河外距离尺度：星系的分类与距离的测定。
• 活动星系核统一模型：用一幅图景解释多种观测类别。
• 宇宙微波背景与暴胀：早期宇宙的证据与理论。

评析

优点

• 一本书里的广度。 四个部分涵盖工具、恒星、太阳系、星系与宇宙学，因此如作者所建议的，一本书既可用于恒星课程，也可用于全年的概览课程。
• 模块化设计。 前言把全书比作供教师挑选的“自助大餐”，并说作者曾用前十八章（有所删减）开设一学期的恒星天体物理课程。
• 以物理为先的方法。 作者说，本书利用学生的物理基础，偏好基于简单模型的粗略估算，同时不会把内容简化到面目全非。关于狭义相对论与量子物理的章节补充了正文所需的近代物理。
• 内置计算。 前言介绍了关于行星轨道、双星、恒星模型和星系潮汐相互作用的计算机习题与完整程序，它们收在附录中，也可下载。出版社还提到有例题和章末习题。

局限

• 部分内容已显陈旧。 本次印刷的正文是2007年第二版的文字。前言提到已知的193颗系外行星，并讨论一颗仍使用临时编号的柯伊伯带天体，因此依赖数据的章节落后于当前的认识。
• 篇幅巨大。 超过1,200页，没有哪一门课程能涵盖全书；作者本人也预期教师要有所取舍。
• 全面而在某些方面不够深入。 宇宙学占两章（第29–30章），恒星内部占一章（第10章），想更深入了解某个话题的读者需要专门的书。
• 数学层次。 出版社面向学过一年级微积分物理的天文与物理专业学生，作者偏好近似计算，因此其推导并不打算与研究生教材相比。

在课程中的定位

在天体物理与宇宙学课程的书单中，这是面向本科高年级的综合性概览。Fraknoi、Morrison 与 Wolff 的 OpenStax Astronomy 2e 是几乎不用数学的开放式入门教材，Binney 的 Astrophysics: A Very Short Introduction 则不借助高深数学来讲述天体背后的物理过程。Maoz 的 Astrophysics in a Nutshell 是简明的一学期教材，以简短推导和数量级估算的水平导出主要结果，因此比 Carroll 与 Ostlie 更适合快速、紧凑的路线。想更深入地学宇宙学，Liddle 的 An Introduction to Modern Cosmology 是大爆炸宇宙学的简短本科入门，Dodelson 与 Schmidt 的 Modern Cosmology 是讲扰动与宇宙微波背景的研究生教材，是第29–30章的自然后续。

如何使用本书

出版社说，本书适合学过带微积分的第一年物理课程的天文与物理专业学生。作者说，学过这门课的人就能理解几乎所有主要概念，并且第4章和第5章会为需要的读者补充狭义相对论与量子物理。

实用的阅读安排如下：

• 一学期的恒星课程： 工具部分读第1–3章和第5–6章，然后是第7–13章以及第14–18章的部分内容，与作者自己对前十八章的使用方式一致。
• 全学科概览： 有选择地读第一、二部分，然后是太阳系的第19–23章、星系的第24–28章和宇宙学的第29–30章。利用小标题来跳读。
• 宇宙学加修： 第24–30章可以独立成为第二门课程，之后可接着读 Liddle，或 Dodelson 与 Schmidt。

要做例题，尝试章末习题，并至少试用一个计算机程序（轨道程序和恒星结构程序是不错的选择）。做数值计算时可使用常数与数据表的附录。