現代天體物理學導論

引用

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

章節概要

全書分四部分、共三十章，篇幅超過1,200頁，附錄包含常數、資料表和簡短的計算機程式。劍橋版是Pearson於2007年出版的第二版的重印。各章分為帶編號的小節，並有小標題，這是作者為方便教師略讀或省略部分內容而增加的。

第一部分 天文學的工具：第1–2章

第1章《天球》講希臘傳統、哥白尼革命、天球上的位置以及物理學與天文學的關係。第2章《天體力學》講橢圓軌道、牛頓力學、開普勒定律的推導和位力定理。

第一部分：第3–6章

第3章《光的連續譜》涉及恆星視差、星等、光的波動性、黑體輻射、能量量子化與色指數。第4章講狹義相對論，第5章講光與物質的相互作用，包括譜線、光子、玻爾模型以及量子力學入門。第6章《望遠鏡》講基礎光學、光學望遠鏡、射電及其他波段的望遠鏡以及全天巡天。

第二部分 恆星的性質：第7–9章

第7章藉助雙星系統來測定恆星引數，最後講到系外行星的搜尋。第8章講譜線的形成、光譜分類和赫羅圖。第9章《恆星大氣》講輻射場、不透明度、輻射轉移、轉移方程和譜線輪廓。

第10–11章：恆星的內部；太陽

第10章講流體靜力學平衡、物態方程、能源、能量輸運、模型構建和主序。第11章把這些應用到太陽：太陽內部、太陽大氣和太陽活動週期。

第12–14章：星際介質與恆星形成；主序及主序後的恆星演化；恆星脈動

第12章講星際塵埃與氣體、原恆星和主序前演化。第13章追蹤主序上及主序之後的演化，最後講星團。第14章講脈動星的觀測與物理，包括非徑向脈動、日震學與星震學。

第15–16章：大質量恆星的歸宿；恆星的簡併遺蹟

第15章追蹤大質量恆星直至超新星，涉及超新星的分類、核心坍縮、伽馬射線暴和宇宙線。第16章講白矮星、簡併物質的物理、錢德拉塞卡極限、中子星和脈衝星。

第17–18章：廣義相對論與黑洞；密近雙星系統

第17章介紹廣義相對論、間隔與測地線以及黑洞。第18章回到雙星：密近系統中的引力、吸積盤、相互作用雙星、Ia型超新星，以及雙星中的中子星與黑洞。

第三部分 太陽系：第19–23章

首先是太陽系中的物理過程（概覽、潮汐力和大氣物理），隨後是類地行星、帶有衛星和星環的巨行星，以及小天體（冥王星與卡戎、彗星、柯伊伯帶天體、小行星和隕石）。第23章講太陽系外行星系統以及行星系統的形成與演化。

第四部分 星系與宇宙：第24–26章

第24章描述銀河系（恆星計數、形態、運動學與銀心），第25章講星系的性質（哈勃序列、旋渦星系與不規則星系、旋渦結構和橢圓星系），第26章通過星系的相互作用與形成來講星系演化。

第27–28章：宇宙的結構；活動星系

第27章講河外距離尺度、宇宙膨脹和星系團。第28章講活動星系的觀測、活動星系核的統一模型、射電瓣與噴流，以及用類星體作為探針。

第29–30章：宇宙學；早期宇宙

第29章展開牛頓宇宙學、宇宙微波背景、相對論宇宙學和觀測宇宙學。第30章以極早期宇宙與暴脹、結構的起源收尾。

核心概念

第一部分：工具（第1–6章）

• 開普勒定律與位力定理：在第2章中由牛頓力學匯出的結果。
• 黑體輻射與星等：描述星光的基本量。
• 譜線與量子力學：第5章中光與物質的相互作用。

第二部分：恆星（第7–18章）

• 赫羅圖：依據光譜和光度對恆星分類。
• 輻射轉移與流體靜力學平衡：恆星大氣與內部的物理。
• 簡併物質與錢德拉塞卡極限：白矮星與中子星的物理。
• 吸積盤：密近雙星系統中的物質流動。

第三、四部分：太陽系、星系與宇宙學（第19–30章）

• 潮汐力與行星大氣：第19章的物理過程。
• 哈勃序列與河外距離尺度：星系的分類與距離的測定。
• 活動星系核統一模型：用一幅圖景解釋多種觀測類別。
• 宇宙微波背景與暴脹：早期宇宙的證據與理論。

評析

優點

• 一本書裡的廣度。 四個部分涵蓋工具、恆星、太陽系、星系與宇宙學，因此如作者所建議的，一本書既可用於恆星課程，也可用於全年的概覽課程。
• 模組化設計。 前言把全書比作供教師挑選的“自助大餐”，並說作者曾用前十八章（有所刪減）開設一學期的恆星天體物理課程。
• 以物理為先的方法。 作者說，本書利用學生的物理基礎，偏好基於簡單模型的粗略估算，同時不會把內容簡化到面目全非。關於狹義相對論與量子物理的章節補充了正文所需的近代物理。
• 內建計算。 前言介紹了關於行星軌道、雙星、恆星模型和星系潮汐相互作用的計算機習題與完整程式，它們收在附錄中，也可下載。出版社還提到有例題和章末習題。

局限

• 部分內容已顯陳舊。 本次印刷的正文是2007年第二版的文字。前言提到已知的193顆系外行星，並討論一顆仍使用臨時編號的柯伊伯帶天體，因此依賴資料的章節落後於當前的認識。
• 篇幅巨大。 超過1,200頁，沒有哪一門課程能涵蓋全書；作者本人也預期教師要有所取捨。
• 全面而在某些方面不夠深入。 宇宙學佔兩章（第29–30章），恆星內部佔一章（第10章），想更深入瞭解某個話題的讀者需要專門的書。
• 數學層次。 出版社面向學過一年級微積分物理的天文與物理專業學生，作者偏好近似計算，因此其推導並不打算與研究生教材相比。

在課程中的定位

在天體物理與宇宙學課程的書單中，這是面向本科高年級的綜合性概覽。Fraknoi、Morrison 與 Wolff 的 OpenStax Astronomy 2e 是幾乎不用數學的開放式入門教材，Binney 的 Astrophysics: A Very Short Introduction 則不借助高深數學來講述天體背後的物理過程。Maoz 的 Astrophysics in a Nutshell 是簡明的一學期教材，以簡短推導和數量級估算的水平匯出主要結果，因此比 Carroll 與 Ostlie 更適合快速、緊湊的路線。想更深入地學宇宙學，Liddle 的 An Introduction to Modern Cosmology 是大爆炸宇宙學的簡短本科入門，Dodelson 與 Schmidt 的 Modern Cosmology 是講擾動與宇宙微波背景的研究生教材，是第29–30章的自然後續。

如何使用本書

出版社說，本書適合學過帶微積分的第一年物理課程的天文與物理專業學生。作者說，學過這門課的人就能理解幾乎所有主要概念，並且第4章和第5章會為需要的讀者補充狹義相對論與量子物理。

實用的閱讀安排如下：

• 一學期的恆星課程： 工具部分讀第1–3章和第5–6章，然後是第7–13章以及第14–18章的部分內容，與作者自己對前十八章的使用方式一致。
• 全學科概覽： 有選擇地讀第一、二部分，然後是太陽系的第19–23章、星系的第24–28章和宇宙學的第29–30章。利用小標題來跳讀。
• 宇宙學加修： 第24–30章可以獨立成為第二門課程，之後可接著讀 Liddle，或 Dodelson 與 Schmidt。

要做例題，嘗試章末習題，並至少試用一個計算機程式（軌道程式和恆星結構程式是不錯的選擇）。做數值計算時可使用常數與資料表的附錄。