Astrophysics in a Nutshell（天体物理概要）

引用

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

章节概要

第二版共312页：前言、一页常数与单位、十章、一个附录和索引，每章末尾附有习题。普林斯顿大学出版社把它介绍为面向高年级理科本科生的、简明而扎实的入门书，讲述现代天文学背后的观测数据和理论概念，强调天文现象共有的物理原理以及理论与观测之间的相互作用。这一版新增了一章系外行星，并大幅扩充了星际介质一章。下面的概要依据出版社目录中的小节标题。

第1章：引言

一个简短的开篇章节，只有一个小节，讲观测技术。

第2章：恒星：基本观测

先回顾黑体辐射，然后讲恒星参数的测量和赫罗图。

第3章：恒星物理

按小节数计是篇幅最长的一章（十二节）。它从各个部分出发建立恒星的结构：流体静力平衡与维里定理、质量连续性、辐射能量输运、能量守恒、恒星结构方程、物态方程和不透明度；然后讲主序上的标度关系、核能产生与核反应率、结构方程的求解以及对流。

第4章：恒星演化与恒星遗迹

先讲恒星演化，然后是白矮星、超新星与中子星、脉冲星、黑洞和相互作用双星。

第5章：恒星形成与星际介质

云的坍缩与恒星形成、H II区、星际介质的组成成分，以及激波、超新星遗迹和宇宙线。出版社说，第二版扩充了对激波、超新星遗迹和宇宙线加速的论述。

第6章：系外行星

本版新增：行星探测方法、行星系统的发生率与结构、行星的形成与演化，以及宜居带和对生命的搜寻。

第7章：银河系与其他星系

银河系的结构、星系的统计分布、活动星系核与类星体，以及星系群和星系团。

第8章：宇宙学：基本观测

奥伯斯佯谬、河外距离、哈勃定律、由宇宙时钟得到的宇宙年龄以及宇宙的各向同性。

第9章：大爆炸宇宙学

弗里德曼–勒梅特–罗伯逊–沃克（FLRW）度规与弗里德曼方程、宇宙的历史与未来、弗里德曼方程的牛顿式推导，以及暗能量与加速膨胀的宇宙。

第10章：大爆炸宇宙学的检验与探针

宇宙学红移与哈勃定律、宇宙微波背景及其各向异性、重子声学振荡、轻元素的核合成，以及类星体和其他遥远天体作为宇宙学探针。

核心概念

第2–4章：恒星

• 赫罗图：第2章引入的恒星参数之间的观测关系。
• 恒星结构方程：流体静力平衡、质量连续性、能量输运与守恒，再加上物态方程和不透明度。
• 恒星遗迹：白矮星、中子星与脉冲星、黑洞。

第5–7章：气体、行星与星系

• 星际介质与恒星形成：H II区、激波、超新星遗迹和宇宙线。
• 行星探测与宜居性：第6章。
• 活动星系核与类星体：第7章。

第8–10章：宇宙学

• 弗里德曼方程：在第9章中紧接FLRW度规之后给出，并另有牛顿式推导。
• 暗能量与加速膨胀：第9章。
• 宇宙学探针：微波背景、重子声学振荡和轻元素核合成。

评析

优点

• 以简明为设计目标。 出版社称它是面向理科专业的最简明、最新的天体物理学教材，推导简单、简短而清晰。第一版的评论者形容这是一部重点突出、节奏明快的教材：格雷格·劳克林（Greg Laughlin）说它涵盖了一个认真的一学期课程所能合理容纳的最广范围；《Choice》上的K. L. 席克（K. L. Schick）则发现，大量内容被压缩进了这本薄薄的书里。
• 数量级估算能力。 出版社把数量级分析的训练列为特色，席克称赞书中用于说明物理并能得到不错数值结果的草稿式估算。
• 对恒星的物理处理。 第3章的十二个小节对恒星的结构和能量作了完整推导。席克称对恒星物理的处理尤其有见地，《The Observatory》上的利昂·梅斯特尔（Leon Mestel）则提到数学讨论与物理论证之间的平衡。
• 习题与荣誉。 每章末尾有习题；本书获得美国天文学会的钱布利斯奖（Chambliss Award），并入选《Choice》2016年度杰出学术图书之一。

局限

• 观测基础较窄。 引言只有一个讲观测技术的小节，目录中也没有关于太阳或太阳系的章节；需要这些内容的读者要另找更全面的概论。
• 论述较为压缩。 十章只有312页，系外行星（四节）和星际介质等主题只能得到入门性的介绍，而不是完整论述。
• 解答受限。 出版社只向教授提供习题解答手册，因此自学者拿不到习题的解答。
• 所引评论针对第一版。 引述的赞誉针对的是第一版；第二版增加的新内容（行星、扩充的星际介质、新习题和更新的数据）并未由这些评论者评价。

在课程中的定位

在天体物理与宇宙学书单中，马奥兹（Maoz）是面向高年级理科生的紧凑的一学期教材。它之下有两本书：OpenStax的《Astronomy 2e》是几乎不用数学的入门天文学教材，比尼（Binney）的《Astrophysics: A Very Short Introduction》则面向没有高等数学基础的读者，集中讲物理过程。这两本都可以补充马奥兹仅有一节的引言所缺少的描述性背景。

在相近的层次上，卡罗尔（Carroll）与奥斯特利（Ostlie）的《An Introduction to Modern Astrophysics》是一部基于微积分的综合性概论，同样从观测基础和太阳系讲起，也适合当作参考书；利德尔（Liddle）的《An Introduction to Modern Cosmology》是一本关于大爆炸宇宙学的短教材，凡是牛顿式论证够用之处就用牛顿式论证，可作为第8–10章内容的第二个参考来源。深造阶段，多德尔森（Dodelson）与施密特（Schmidt）的《Modern Cosmology》推导扰动的玻尔兹曼方程和爱因斯坦方程，并把它们应用于微波背景、星系成团和引力透镜。

如何使用本书

本书适合学过基于微积分的力学、电磁学、热力学和近代物理入门的物理或天文专业高年级本科生；不需要事先学过天文学课程。

一学期的实用安排：

• 恒星（第2–4章）： 课程的核心；第3章最难，亲手推演结构方程会很有收获。
• 星际介质与行星（第5–6章）： 篇幅较短，可以快速讲完，也可以根据课程取舍其一。
• 星系与宇宙学（第7–10章）： 第8、9、10章按顺序阅读，因为第8章的观测是第9章弗里德曼方程和第10章检验的基础。
• 习题： 做章末习题，培养数量级估算的习惯；由于学生拿不到详细解答，可以和同学或任课教师核对答案。
• 复习： 出版社推荐把它用作资格考试的复习材料，以及教师和研究人员方便的参考书。