Astrophysics in a Nutshell（天文物理概要）

引用

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

章節概要

第二版共312頁：前言、一頁常數與單位、十章、一個附錄和索引，每章末尾附有習題。普林斯頓大學出版社把它介紹為面向高年級理科大學部學生的、簡明而紮實的入門書，講述現代天文學背後的觀測資料和理論概念，強調天文現象共有的物理原理以及理論與觀測之間的相互作用。這一版新增了一章系外行星，並大幅擴充了星際介質一章。下面的概要依據出版社目錄中的小節標題。

第1章：引言

一個簡短的開篇章節，只有一個小節，講觀測技術。

第2章：恆星：基本觀測

先回顧黑體輻射，然後講恆星引數的測量和赫羅圖。

第3章：恆星物理

按小節數計是篇幅最長的一章（十二節）。它從各個部分出發建立恆星的結構：流體靜力平衡與維裡定理、質量連續性、輻射能量輸運、能量守恆、恆星結構方程、物態方程和不透明度；然後講主序上的標度關係、核能產生與核反應率、結構方程的求解以及對流。

第4章：恆星演化與恆星遺蹟

先講恆星演化，然後是白矮星、超新星與中子星、脈衝星、黑洞和相互作用雙星。

第5章：恆星形成與星際介質

雲的塌縮與恆星形成、H II區、星際介質的組成成分，以及震波、超新星遺蹟和宇宙線。出版社說，第二版擴充了對震波、超新星遺蹟和宇宙線加速的論述。

第6章：系外行星

本版新增：行星探測方法、行星系統的發生率與結構、行星的形成與演化，以及適居帶和對生命的搜尋。

第7章：銀河系與其他星系

銀河系的結構、星系的統計分佈、活動星系核與類星體，以及星系群和星系團。

第8章：宇宙學：基本觀測

奧伯斯佯謬、河外距離、哈勃定律、由宇宙時鐘得到的宇宙年齡以及宇宙的各向同性。

第9章：大爆炸宇宙學

弗裡德曼–勒梅特–羅伯遜–沃克（FLRW）度規與弗裡德曼方程、宇宙的歷史與未來、弗裡德曼方程的牛頓式推導，以及暗能量與加速膨脹的宇宙。

第10章：大爆炸宇宙學的檢驗與探針

宇宙學紅移與哈勃定律、宇宙微波背景及其各向異性、重子聲學振盪、輕元素的核合成，以及類星體和其他遙遠天體作為宇宙學探針。

核心概念

第2–4章：恆星

• 赫羅圖：第2章引入的恆星引數之間的觀測關係。
• 恆星結構方程：流體靜力平衡、質量連續性、能量輸運與守恆，再加上物態方程和不透明度。
• 恆星遺蹟：白矮星、中子星與脈衝星、黑洞。

第5–7章：氣體、行星與星系

• 星際介質與恆星形成：H II區、震波、超新星遺蹟和宇宙線。
• 行星探測與宜居性：第6章。
• 活動星系核與類星體：第7章。

第8–10章：宇宙學

• 弗裡德曼方程：在第9章中緊接FLRW度規之後給出，並另有牛頓式推導。
• 暗能量與加速膨脹：第9章。
• 宇宙學探針：微波背景、重子聲學振盪和輕元素核合成。

評析

優點

• 以簡明為設計目標。 出版社稱它是面向理科專業的最簡明、最新的天體物理學教材，推導簡單、簡短而清晰。第一版的評論者形容這是一部重點突出、節奏明快的教材：格雷格·勞克林（Greg Laughlin）說它涵蓋了一個認真的一學期課程所能合理容納的最廣範圍；《Choice》上的K. L. 席克（K. L. Schick）則發現，大量內容被壓縮進了這本薄薄的書裡。
• 數量級估算能力。 出版社把數量級分析的訓練列為特色，席克稱讚書中用於說明物理並能得到不錯數值結果的草稿式估算。
• 對恆星的物理處理。 第3章的十二個小節對恆星的結構和能量作了完整推導。席克稱對恆星物理的處理尤其有見地，《The Observatory》上的利昂·梅斯特爾（Leon Mestel）則提到數學討論與物理論證之間的平衡。
• 習題與榮譽。 每章末尾有習題；本書獲得美國天文學會的錢布利斯獎（Chambliss Award），併入選《Choice》2016年度傑出學術圖書之一。

局限

• 觀測基礎較窄。 引言只有一個講觀測技術的小節，目錄中也沒有關於太陽或太陽系的章節；需要這些內容的讀者要另找更全面的概論。
• 論述較為壓縮。 十章只有312頁，系外行星（四節）和星際介質等主題只能得到入門性的介紹，而不是完整論述。
• 解答受限。 出版社只向教授提供習題解答手冊，因此自學者拿不到習題的解答。
• 所引評論針對第一版。 引述的讚譽針對的是第一版；第二版增加的新內容（行星、擴充的星際介質、新習題和更新的資料）並未由這些評論者評價。

在課程中的定位

在天體物理與宇宙學書單中，馬奧茲（Maoz）是面向高年級理科生的緊湊的一學期教材。它之下有兩本書：OpenStax的《Astronomy 2e》是幾乎不用數學的入門天文學教材，比尼（Binney）的《Astrophysics: A Very Short Introduction》則面向沒有高等數學基礎的讀者，集中講物理過程。這兩本都可以補充馬奧茲僅有一節的引言所缺少的描述性背景。

在相近的層次上，卡羅爾（Carroll）與奧斯特利（Ostlie）的《An Introduction to Modern Astrophysics》是一部基於微積分的綜合性概論，同樣從觀測基礎和太陽系講起，也適合當作參考書；利德爾（Liddle）的《An Introduction to Modern Cosmology》是一本關於大爆炸宇宙學的短教材，凡是牛頓式論證夠用之處就用牛頓式論證，可作為第8–10章內容的第二個參考來源。深造階段，多德爾森（Dodelson）與施密特（Schmidt）的《Modern Cosmology》推導擾動的波耳茲曼方程和愛因斯坦方程，並把它們應用於微波背景、星系成團和重力透鏡。

如何使用本書

本書適合學過基於微積分的力學、電磁學、熱力學和近代物理入門的物理或天文專業高年級大學部學生；不需要事先學過天文學課程。

一學期的實用安排：

• 恆星（第2–4章）： 課程的核心；第3章最難，親手推演結構方程會很有收穫。
• 星際介質與行星（第5–6章）： 篇幅較短，可以快速講完，也可以根據課程取捨其一。
• 星系與宇宙學（第7–10章）： 第8、9、10章按順序閱讀，因為第8章的觀測是第9章弗裡德曼方程和第10章檢驗的基礎。
• 習題： 做章末習題，培養數量級估算的習慣；由於學生拿不到詳細解答，可以和同學或任課教師核對答案。
• 複習： 出版社推薦把它用作資格考試的複習材料，以及教師和研究人員方便的參考書。