第1部分 基 礎(chǔ)
第0章 繪制天圖：天文學(xué)基礎(chǔ) 2
0.1 如眼所見 3
0.1.1 地球的空間位置 3
0.1.2 天空中的星座 4
0.1.3 天球 4
0.1.4 天球坐標系 6
0.2 地球的軌道運動 6
0.2.1 每日變化 6
0.2.2 季節(jié)變化 7
0.2.3 長期變化 9
0.3 月球的運動 10
0.3.1 月相 10
0.3.2 日食和月食 12
0.4 距離的測量 15
0.5 科學(xué)和科學(xué)方法 16
0.5.1 理論和模型 16
0.5.2 早期應(yīng)用 18
0.5.3 今天的宇宙 19
本章回顧 19
小結(jié) 19
復(fù)習(xí)題 20
自測題 20
計算題 20
活動 21
第1章 哥白尼革命：現(xiàn)代科學(xué)的誕生 22
1.1 行星的運動 23
1.1.1 天空中的流浪者 23
1.1.2 地心說 23
1.1.3 日心說 26
1.2 現(xiàn)代天文學(xué)的誕生 27
1.2.1 伽利略的重要歷史觀測 27
1.2.2 哥白尼體系的優(yōu)勢 29
1.3 行星運動定律 29
1.3.1 第谷的復(fù)雜數(shù)據(jù) 30
1.3.2 開普勒的簡單定律 30
1.3.3 太陽系的大小 32
1.4 牛頓定律 33
1.4.1 運動定律 33
1.4.2 萬有引力定律 34
1.4.3 軌道運動 36
1.4.4 開普勒定律的修正 36
1.4.5 科學(xué)進步的循環(huán) 37
本章回顧 38
小結(jié) 38
復(fù)習(xí)題 38
自測題 38
計算題 39
活動 39
第2章 光和物質(zhì)：宇宙的內(nèi)在運行 40
2.1 來自天空的信息 41
2.1.1 光和輻射 42
2.1.2 波動 42
2.2 波在哪里 43
2.2.1 帶電粒子間的相互作用 44
2.2.2 電磁性 44
2.3 電磁波譜 45
2.3.1 可見光的組成 45
2.3.2 輻射的完整范圍 46
2.4 熱輻射 48
2.4.1 黑體光譜 48
2.4.2 輻射定律 48
2.4.3 天文學(xué)應(yīng)用 50
2.5 光譜學(xué) 51
2.5.1 發(fā)射線 51
2.5.2 吸收線 52
2.5.3 天文學(xué)應(yīng)用 54
2.6 譜線的形成 54
2.6.1 原子結(jié)構(gòu) 54
2.6.2 輻射的粒子本質(zhì) 55
2.6.3 氫的光譜 56
2.6.4 基爾霍夫定律的解釋 57
2.6.5 更復(fù)雜的光譜 57
2.7 多普勒效應(yīng) 58
2.8 譜線分析 60
本章回顧 60
小結(jié) 60
復(fù)習(xí)題 61
自測題 61
計算題 62
活動 62
第3章 望遠鏡：天文學(xué)工具 63
3.1 光學(xué)望遠鏡 64
3.1.1 反射望遠鏡和折射望遠鏡 64
3.1.2 反射望遠鏡的類型 66
3.1.3 探測器和圖像處理 69
3.2 望遠鏡大小 70
3.2.1 集光能力 70
3.2.2 分辨能力 72
3.3 高分辨率天文學(xué) 73
3.3.1 大氣模糊效應(yīng) 73
3.3.2 新型望遠鏡設(shè)計 74
3.4 射電天文學(xué) 75
3.4.1 射電望遠鏡簡介 75
3.4.2 射電天文學(xué)的價值 77
3.4.3 干涉測量學(xué) 77
3.5 空基天文學(xué) 79
3.5.1 紅外和紫外天文學(xué) 79
3.5.2 高能天文學(xué) 82
3.5.3 全光譜覆蓋 83
本章回顧 85
小結(jié) 85
復(fù)習(xí)題 85
自測題 85
計算題 86
活動 86
第2部分 太陽系（行星系）
第4章 太陽系：行星際物質(zhì)和行星的誕生 90
4.1 太陽系的成員 91
4.1.1 行星的性質(zhì) 91
4.1.2 類地行星和類木行星 94
4.1.3 太陽系碎片 94
4.2 行星際物質(zhì) 95
4.2.1 小行星的軌道 95
4.2.2 小行星的性質(zhì) 96
4.2.3 彗星 99
4.2.4 彗星的軌道 103
4.2.5 流星體 104
4.3 太陽系的形成 107
4.3.1 模型要求 107
4.3.2 星云收縮 108
4.3.3 行星形成 111
4.3.4 類木行星形成 112
4.3.5 太陽系的分化 113
4.3.6 小行星和彗星 114
4.3.7 太陽系的規(guī)則性和不規(guī)則性 115
4.4 系外行星 115
4.4.1 探測系外行星 115
4.4.2 系外行星的性質(zhì) 117
4.4.3 系外行星的組成 118
4.4.4 太陽系是否與眾不同 120
4.4.5 搜尋系外地球 121
本章回顧 122
小結(jié) 122
復(fù)習(xí)題 122
自測題 123
計算題 123
活動 123
第5章 地球和月球：我們的宇宙后院 125
5.1 概述 126
5.1.1 物理性質(zhì) 126
5.1.2 整體結(jié)構(gòu) 127
5.2 潮汐 127
5.2.1 引力形變 127
5.2.2 潮汐鎖定 129
5.3 大氣層 129
5.3.1 地球大氣層 129
5.3.2 溫室效應(yīng) 132
5.3.3 月球空氣 134
5.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 135
5.4.1 地震學(xué) 135
5.4.2 地球內(nèi)部建模 136
5.4.3 分異 137
5.4.4 月球內(nèi)部 137
5.5 地球表面活動 138
5.5.1 大陸漂移 138
5.5.2 板塊驅(qū)動力 140
5.5.3 月球板塊構(gòu)造 141
5.6 月球表面 141
5.6.1 大尺度特征 142
5.6.2 隕擊 143
5.6.3 月面侵蝕 144
5.7 磁層 145
5.7.1 地球磁層 145
5.7.2 月球磁性 147
5.8 地月系統(tǒng)演化史 147
5.8.1 月球的形成 147
5.8.2 月球的演化 148
本章回顧 149
小結(jié) 149
復(fù)習(xí)題 150
自測題 150
計算題 150
活動 151
第6章 類地行星：對比研究 152
6.1 軌道性質(zhì)和物理性質(zhì) 153
6.2 自轉(zhuǎn)速率 154
6.2.1 水星的奇特自轉(zhuǎn) 154
6.2.2 金星和火星 155
6.3 大氣層 157
6.3.1 水星 157
6.3.2 金星 157
6.3.3 火星 158
6.4 水星表面 158
6.5 金星表面 160
6.5.1 大尺度地形地貌 160
6.5.2 火山活動和隕擊 161
6.6 火星表面 163
6.6.1 大尺度地形地貌 164
6.6.2 火星上的火山活動 166
6.6.3 火星上曾經(jīng)存在水的證據(jù) 167
6.6.4 火星上的水現(xiàn)在何處 169
6.6.5 火星著陸器的探測 170
6.7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)歷史 174
6.7.1 水星 174
6.7.2 金星 175
6.7.3 火星 175
6.8 大氣演化 175
6.8.1 金星的失控溫室效應(yīng) 176
6.8.2 火星的大氣演化 177
本章回顧 178
小結(jié) 178
復(fù)習(xí)題 179
自測題 179
計算題 179
活動 180
第7章 類木行星：太陽系中的巨行星 181
7.1 木星和土星的觀測 182
7.1.1 從地球上觀測 182
7.1.2 航天器探測 183
7.2 天王星和海王星的發(fā)現(xiàn) 184
7.3 類木行星的主要性質(zhì) 187
7.3.1 物理性質(zhì) 188
7.3.2 自轉(zhuǎn)速率 188
7.4 木星大氣層 190
7.4.1 整體外觀和組成 190
7.4.2 大氣層結(jié)構(gòu) 191
7.4.3 木星上的天氣 192
7.5 外層類木行星的大氣層 193
7.5.1 土星大氣層 193
7.5.2 土星上的天氣 194
7.5.3 天王星和海王星的大氣層 195
7.5.4 天王星和海王星上的天氣 196
7.6 類木行星內(nèi)部 197
7.6.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 198
7.6.2 磁層 199
7.6.3 內(nèi)部加熱 200
本章回顧 202
小結(jié) 202
復(fù)習(xí)題 202
自測題 203
計算題 203
活動 203
第8章 衛(wèi)星、環(huán)和類冥矮行星：巨行星中間的
小天體 205
8.1 木星的伽利略衛(wèi)星 206
8.1.1 小太陽系 207
8.1.2 木衛(wèi)一：最活躍的衛(wèi)星 208
8.1.3 木衛(wèi)二：液態(tài)水鎖定在冰中 209
8.1.4 木衛(wèi)三和木衛(wèi)四：異卵雙生 210
8.2 土星和海王星的大衛(wèi)星 212
8.2.1 土衛(wèi)六：擁有大氣層的衛(wèi)星 212
8.2.2 海衛(wèi)一：從柯伊伯帶俘獲 215
8.3 類木行星的中衛(wèi)星 216
8.4 行星環(huán) 219
8.4.1 壯觀的土星環(huán)系統(tǒng) 219
8.4.2 洛希極限 220
8.4.3 土星環(huán)的精細結(jié)構(gòu) 221
8.4.4 木星環(huán)、天王星環(huán)和海王星環(huán) 223
8.4.5 行星環(huán)的形成 224
8.5 海王星以外 225
8.5.1 冥王星的發(fā)現(xiàn) 225
8.5.2 冥王星?冥衛(wèi)一系統(tǒng) 225
8.5.3 冥王星和冥衛(wèi)一的近距離觀測 226
8.5.4 類冥矮行星和柯伊伯帶 227
本章回顧 229
小結(jié) 229
復(fù)習(xí)題 230
自測題 230
計算題 231
活動 231
第3部分 恒 星
第9章 太陽：地球的母恒星 234
9.1 太陽概述 235
9.1.1 整體結(jié)構(gòu) 235
9.1.2 光度 236
9.2 太陽內(nèi)部 237
9.2.1 太陽結(jié)構(gòu)建模 237
9.2.2 能量傳輸 239
9.2.3 太陽對流的證據(jù) 240
9.3 太陽大氣 241
9.3.1 色球 242
9.3.2 過渡區(qū)和日冕 242
9.3.3 太陽風 243
9.4 活動太陽 243
9.4.1 太陽黑子 244
9.4.2 太陽磁性 244
9.4.3 太陽活動周期 246
9.4.4 活動區(qū) 247
9.4.5 X射線下的太陽 249
9.4.6 不斷變化的日冕 250
9.5 太陽中心 250
9.5.1 核聚變 250
9.5.2 質(zhì)子?質(zhì)子鏈 251
9.5.3 太陽中微子的觀測 254
本章回顧 255
小結(jié) 255
復(fù)習(xí)題 255
自測題 256
計算題 256
活動 256
第10章 恒星的測量：巨星、矮星和主序 258
10.1 太陽鄰域 259
10.1.1 恒星視差 259
10.1.2 太陽的最鄰近恒星 260
10.1.3 恒星運動 261
10.2 光度和視亮度 262
10.2.1 另一個平方反比定律 263
10.2.2 星等標 264
10.3 恒星溫度 265
10.3.1 顏色和黑體曲線 265
10.3.2 恒星光譜 266
10.3.3 光譜分類 267
10.4 恒星大小 268
10.4.1 直接測量和間接測量 268
10.4.2 巨星和矮星 268
10.5 赫羅圖 269
10.5.1 主序 269
10.5.2 白矮星區(qū)和紅巨星區(qū) 271
10.6 宇宙距離尺度的延伸 272
10.6.1 分光視差 272
10.6.2 光度級 273
10.7 恒星質(zhì)量 274
10.7.1 雙星 275
10.7.2 質(zhì)量測定 276
10.7.3 質(zhì)量及其他恒星性質(zhì) 277
本章回顧 279
小結(jié) 279
復(fù)習(xí)題 279
自測題 279
計算題 280
活動 280
第11章 星際物質(zhì)：銀河系中的恒星形成 281
11.1 星際物質(zhì) 282
11.1.1 氣體和塵埃 282
11.1.2 星際物質(zhì)的密度和組成 284
11.2 恒星形成區(qū) 285
11.3 暗塵云 289
11.3.1 可見光的遮蔽 289
11.3.2 21厘米輻射 290
11.3.3 分子氣體 291
11.4 類日恒星的形成 292
11.4.1 引力和熱量 292
11.4.2 第1階段：星際云 293
11.4.3 第2階段和第3階段：
云碎片收縮 294
11.4.4 第4階段：原恒星 295
11.4.5 第5階段：原恒星演化 296
11.4.6 第6階段和第7階段：
新生恒星 298
11.5 其他質(zhì)量的恒星 299
11.5.1 零齡主序 299
11.5.2 失敗的恒星 299
11.6 星團 300
11.6.1 星團和星協(xié) 301
11.6.2 星團和星云 302
本章回顧 304
小結(jié) 304
復(fù)習(xí)題 304
自測題 305
計算題 305
活動 305
第12章 恒星演化：生長和死亡 307
12.1 離開主序 308
12.1.1 恒星和科學(xué)方法 308
12.1.2 結(jié)構(gòu)變化 309
12.2 類日恒星的演化 310
12.2.1 第8階段和第9階段：從亞巨星到
紅巨星 310
12.2.2 第10階段：氦聚變 311
12.2.3 第11階段：再次成為紅巨星 312
12.3 小質(zhì)量恒星的死亡 314
12.3.1 第12階段：行星狀星云 314
12.3.2 致密物質(zhì) 315
12.3.3 第13階段：白矮星 316
12.3.4 新星 317
12.4 大質(zhì)量恒星的演化 319
12.4.1 重元素的形成 319
12.4.2 超巨星的觀測 320
12.4.3 演化之路的終點 321
12.5 超新星爆發(fā) 322
12.5.1 新星和超新星 322
12.5.2 I型和II型超新星的解釋 323
12.5.3 超新星遺跡 324
12.5.4 重元素的形成 327
12.6 星團中的恒星演化觀測 327
12.7 恒星演化周期 332
本章回顧 333
小結(jié) 333
復(fù)習(xí)題 334
自測題 334
計算題 334
活動 335
第13章 中子星和黑洞：物質(zhì)的奇異狀態(tài) 336
13.1 中子星 337
13.2 脈沖星 338
13.2.1 脈沖星模型 338
13.2.2 中子星和脈沖星 341
13.3 中子星雙星 341
13.3.1 X射線源 342
13.3.2 毫秒脈沖星 342
13.3.3 脈沖星行星 343
13.4 γ射線暴 344
13.4.1 距離和光度 345
13.4.2 γ射線暴的成因 346
13.5 黑洞 349
13.5.1 恒星演化的最后階段 349
13.5.2 逃逸速度 349
13.5.3 事件視界 350
13.6 愛因斯坦的相對論 350
13.6.1 狹義相對論 350
13.6.2 廣義相對論 353
13.6.3 彎曲空間和黑洞 355
13.7 黑洞附近的太空旅行 356
13.7.1 引潮力 356
13.7.2 趨近事件視界 357
13.7.3 黑洞深處 358
13.8 黑洞的觀測證據(jù) 359
13.8.1 雙星系統(tǒng)中的黑洞 359
13.8.2 星系中的黑洞 360
本章回顧 361
小結(jié) 361
復(fù)習(xí)題 362
自測題 362
計算題 362
活動 363
第4部分 星系和宇宙
第14章 銀河系：太空中的旋渦 366
14.1 銀河系概述 367
14.2 銀河系的測量 369
14.2.1 恒星計數(shù) 369
14.2.2 變星觀測 369
14.2.3 新型量天尺 370
14.2.4 銀河系的大小和形狀 371
14.3 銀河系的結(jié)構(gòu) 373
14.3.1 銀河系測繪 373
14.3.2 星族 374
14.3.3 軌道運動 374
14.4 銀河系的形成 375
14.5 銀河系的旋臂 377
14.6 銀河系的質(zhì)量 381
14.6.1 暗物質(zhì) 381
14.6.2 恒星暗物質(zhì)的搜尋 382
14.7 銀心 383
14.7.1 銀河系活動 384
14.7.2 中心黑洞 385
本章回顧 387
小結(jié) 387
復(fù)習(xí)題 388
自測題 388
計算題 388
活動 389
第15章 正常星系和活動星系：宇宙的
基石 390
15.1 哈勃星系分類 391
15.1.1 旋渦星系 392
15.1.2 橢圓星系 393
15.1.3 不規(guī)則星系 394
15.1.4 哈勃序列 396
15.2 太空中的星系分布 397
15.2.1 擴展距離尺度 397
15.2.2 星系團 398
15.3 哈勃定律 400
15.3.1 普遍性退行 400
15.3.2 哈勃常數(shù) 401
15.3.3 距離階梯的頂端 402
15.4 活動星系核 403
15.4.1 星系輻射 403
15.4.2 賽弗特星系 405
15.4.3 射電星系 405
15.4.4 類星體 408
15.5 活動星系的中心引擎 410
15.5.1 能量產(chǎn)生 410
15.5.2 能量發(fā)射 412
本章回顧 413
小結(jié) 413
復(fù)習(xí)題 414
自測題 414
計算題 415
活動 415
第16章 星系和暗物質(zhì)：宇宙的大尺度
結(jié)構(gòu) 416
16.1 宇宙中的暗物質(zhì) 417
16.1.1 星系質(zhì)量 417
16.1.2 可見物質(zhì)和暗暈 418
16.1.3 星系團內(nèi)氣體 419
16.2 星系碰撞 420
16.3 星系形成和星系演化 422
16.3.1 并合 423
16.3.2 演化和相互作用 424
16.3.3 建立哈勃序列 426
16.4 星系中的黑洞 427
16.4.1 黑洞質(zhì)量 427
16.4.2 類星體時期 428
16.4.3 活動星系和正常星系 430
16.4.4 活動星系和科學(xué)方法 431
16.5 甚大尺度上的宇宙 431
16.5.1 星系團集群 432
16.5.2 紅移巡天 432
16.5.3 類星體吸收線 435
16.5.4 類星體海市蜃樓 436
16.5.5 測繪暗物質(zhì) 437
本章回顧 439
小結(jié) 439
復(fù)習(xí)題 440
自測題 440
計算題 440
活動 441
第17章 宇宙學(xué)：大爆炸和宇宙的命運 442
17.1 最大尺度上的宇宙 443
17.2 膨脹宇宙 444
17.2.1 奧伯斯佯謬 444
17.2.2 宇宙的誕生 445
17.2.3 大爆炸的位置 445
17.2.4 宇宙學(xué)紅移 446
17.3 宇宙動力學(xué)和空間幾何 447
17.3.1 兩種未來 447
17.3.2 宇宙的形狀 448
17.4 宇宙的命運 449
17.4.1 宇宙的密度 449
17.4.2 宇宙加速 449
17.4.3 暗能量 451
17.4.4 宇宙的組成 452
17.4.5 宇宙的年齡 453
17.5 早期宇宙 454
17.5.1 宇宙微波背景 454
17.5.2 宇宙中的輻射 455
17.6 原子核和原子的形成 456
17.6.1 氦的形成 456
17.6.2 核合成和宇宙的組成 457
17.6.3 原子的形成 457
17.7 宇宙暴脹 458
17.7.1 視界問題和平直性問題 458
17.7.2 暴脹時期 459
17.7.3 對宇宙的影響 460
17.8 宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu) 461
本章回顧 465
小結(jié) 465
復(fù)習(xí)題 465
自測題 466
計算題 466
活動 467
第18章 宇宙中的生命：人類是否孤單 468
18.1 宇宙演化 469
18.1.1 宇宙中的生命 469
18.1.2 地球上的生命 470
18.1.3 星際起源 472
18.1.4 多樣性和文化 473
18.2 太陽系中的生命 474
18.2.1 我們所知道的生命 474
18.2.2 極端環(huán)境中的生命 475
18.3 銀河系中的智能生命 476
18.3.1 德雷克方程 476
18.3.2 銀河系壽命期間恒星形成的
平均速率 476
18.3.3 擁有行星系的恒星比例 477
18.3.4 每個行星系內(nèi)的宜居行星平均
數(shù)量 477
18.3.5 出現(xiàn)生命的宜居行星比例 479
18.3.6 出現(xiàn)智能生命的有生命行星
比例 479
18.3.7 智能生命開發(fā)并利用技術(shù)的行星
比例 479
18.3.8 技術(shù)文明的平均壽命 480
18.4 地外文明探索 480
18.4.1 探訪鄰居 480
18.4.2 射電搜尋 481
18.4.3 水洞 482
本章回顧 483
小結(jié) 483
復(fù)習(xí)題 484
自測題 484
計算題 484
活動 485
附錄A 科學(xué)記數(shù)法 486
附錄B 天文測量 487
附錄C 常用數(shù)據(jù)表 488
附錄D 詞匯表 491
附錄E 復(fù)習(xí)題答案 509
附錄F 自測題和計算題答案 514
附錄G 四季星圖 517