AnIntroductiontoModernAstrophysics-南开大学图书馆

MIT教材《An Introduction to Modern Astrophysics》评介研究

张立彬（南开大学外国教材中心，天津，300071）

暴鹏程、马志远(南开大学物理科学学院，天津，300071)

1、本书的出版情况和作者简介

《An Introduction to Modern Astrophysics（second edition）》（《现代天体物理概论》(第二版)）是美国麻省理工学院物理系课程编号为8.901的课程“Astrophysics I” (天体物理I)所选用的教材。本书于2006年由Addison-Wesley出版社出版，全书共1278页(含附录共1400页)，作者是韦伯州立大学的Bradley W. Carroll和Dale A. Ostlie.

Bradley W. Carroll是美国韦伯州立大学的物理系教授，他从加州大学欧文分校取得数学学士学位，之后在科罗拉多博尔德大学取得物理学硕士学位和天体物理博士学位。

Bradley对天文学抱有终身的兴趣并且对头顶的星空怀有一种天真的好奇，这导致他最终投身天文学领域。在Carl Hansen 和 John Cox的指导下，他完成了题为脉冲星自转效应的博士课题。之后，他去罗切斯特大学和Hugh Van Horn 一起进行博士后研究，主要方向是中子星及其吸积盘的振荡。在这两所大学的熏陶下，Brad掌握了构造复杂天体物理系统简化模型的精髓。四年后，结束博士后研究的Bradley幸运地得到韦伯州立大学的教职，更幸运的是，在那里碰到了Dale Ostlie，两人在恒星脉冲领域都有专长并且见解相近。Bradley十分喜欢和学生共同探索物理世界，这给他写这本书时提供了很大的帮助。

Dale A. Ostlie是美国韦伯州立大学理学院的院长，他于1977年在圣奥拉夫学院取得物理和数学的学士学位，然后于1982年在爱荷华州立大学取得物理/天体物理的博士学位。之后先后在爱荷华州立大学物理系、约翰霍普金斯大学的空间望远科学技术研究所、贝茨学院物理系、洛斯阿拉莫斯国家图书馆理论物理组进行教学科研工作。从1984年起，在韦伯州立大学物理系进行教学科研工作至今。

在本书的另一个作者Bradley W.Carroll来到韦伯州立大学后，由于在许多领域尤其是恒星脉冲领域的共识和对教学的热爱，两人合著了本书。[1]

2、本书的创作背景和主要内容

天体物理是天文学的二级学科，也是天文学和物理学的交叉学科。天体物理是研究天体和其他宇宙物质的性质、结构和演化的天文学分支。天体物理学从研究方法来说，可分为实测天体物理学和理论天体物理学。前者研究天体物理学中基本观测技术、各种仪器设备的原理和结构，以及观测资料的分析处理，从而为理论研究提供资料或者检验理论模型。后者则是对观测资料进行理论分析，建立理论模型，以解释各种天象。同时，还可预言尚未观测到的天体和天象。用物理学的技术和方法分析来自天体的电磁辐射，可得到天体的各种物理参数。根据这些参数运用物理理论来阐明发生在天体上的物理过程及其演变是实测天体物理学和理论天体物理学的任务。[2]

本书是天体物理学的一本经典的教科书，两位作者都是多年从事教学和研究一线工作。本书深入浅出，条理清晰地介绍并阐明了天体物理的相关基础知识和应用情况，是一本不可多得的天体物理入门级教材。

本书旨在仅用基本的物理知识向读者介绍整个现代天体物理的研究内容，并且，与通用的其他的天文学教材不同的是，本书更侧重天文现象的数学表达而不是仅仅进行描述性的介绍。同时，本书给学生很多应用自己所学的物理学知识去分析天文学现象的机会，对于那些物理基础薄弱的学生，本书也提供了相关章节介绍相关的物理学基本原理。

本书在第一部分介绍了天体物理学所需要的基础预备知识。这部分内容涉及物理和天文学的基础知识，并且作者是按历史的发展顺序进行介绍的。先介绍古希腊的天球坐标法，作者也同时介绍了古希腊的天文学和物理学，毕竟西方天文学的起源是在古希腊。这是天文学的基础。之后介绍经典天文学用的分析手段——开普勒定律和牛顿力学——天体力学，这是进一步使用其他模型进行分析的基础。之后的一节着重介绍光谱这一天体物理分析的有力工具并引入现代物理的前沿——量子力学。紧接着的一节介绍了狭义相对论的相关知识，它是在空间尺度以及极端条件下精确分析物理现象的基本工具。下一节则又从光与物质作用的角度进一步讨论光谱与量子力学，众所周知，电磁波探测是天文学主要的探测手段，这一节的介绍也相应的涉及了电磁波的理论。最后一节则介绍观测的主要工具——望远镜，并介绍了天文观测领域的最新进展。与最新的科研进展密切相关也是本书第二版的特点之一。

介绍完预备知识之后，本书的下一部分从恒星物理学这一天体物理学的基础和主要分支开始介绍。本书没有从我们的身边的太阳开始，而是从更简单更易计算的双星系统开始介绍恒星，并且借助光谱分析。之后的两节从外到内细致介绍了恒星的结构和物理属性。之后又用太阳这个熟悉的例子让读者更好的理解之前的理论。下一节开始介绍恒星的演化过程——恒星的一生。从星际物质凝聚形成原恒星，讲到前主序阶段、主序星阶段，直到晚期的恒星脉动，最后讨论了不同质量恒星的不同结局，包括白矮星，超新星爆发形成的中子星（脉冲星）或黑洞，并在其中穿插热力学和广义相对论等相应的物理基础知识。最后以对密近双星系统这一特殊的双星系统的分析结束了本部分的内容。

接下来的一部分开始介绍与我们密切相关的天体物理学分支——太阳系物理学。与之前一样，第一节首先介绍了太阳系的演化过程，并且介绍了相关的物理性质。之后开始分别介绍太阳系的八大行星及其卫星，矮行星，彗星和柯依伯带天体，小行星，以及陨石。这一部分在给出相应数据公式的基础上还介绍了行星的发现历史和最新的观测进展，如对地外行星系统的研究。

本书的最后一部分介绍了星系天文学和宇宙学，从更大尺度上研究我们生活的宇宙。前两节先以我们居住的银河系为例介绍了星系的结构和物理属性，并在结构分类的基础上介绍了旋涡星系、不规则星系、椭圆星系等常见的星系。之后则介绍了星系的演化过程以及宇宙的大尺度结构的形成。在介绍了星系这一宇宙的重要组成结构之后，开始由活动星系引入对整个宇宙的研究。对宇宙学的介绍也是从历史发展的角度先后介绍了牛顿宇宙观和相对论宇宙观，并介绍了宇宙微波背景辐射、宇宙的结构和宇宙的加速膨胀，最后对宇宙的早期演化做了简单介绍。

更可贵的是，本书在附录里不仅给出了科学常数，单位换算和天文数据，还提供了许多模型的C++实现，也体现了计算机模拟在天体物理中的越来越重要的作用。

3、本书的特点

本书作为天体物理学介绍性入门课程的教材，是两位作者多年教学经验的总结。本书透彻地反映了近十年来天体物理领域的巨变和革新。本书的第二版中更新了天体物理现象观测和理论分析最新的成果。概括起来，有如下三个特点：3.1内容翔实，讲解细致入微，

本书作为一本入门课程教材，内容不仅覆盖了天体物理学的主要分支，还相应地介绍物理，天文等学科的相关知识。每节都会有相应的背景介绍和丰富具体的图例。对知识的解释也是十分具体。就本书第七章第一节双星系统的分类来说，在给出双星系统的定义后，详细的给出了六种双星系统的定义和之间的差别，并且从运行轨道，运行周期和互相之间的运动给出了三幅注释清楚地图示，并且举了一个例子详细地说明。

3.2 数据具体，理论推导明晰

作为一个主要以观测和分析数据为基础的学科。天体物理学的许多理论和模型都是建立在实验数据上的。虽然语言性描述能让学生对现象有一个感性而容易理解的印象，但数据处理和计算才是真正能理解和阐释天文学现象的方式。本书对于物理模型数学上的推导并没有像其他的教材那样采取一带而过的处理方式，而是详细而具体地写出推导过程，力求让学生在理解基础上学会。如在 Chapter 10 The Interiors of Stars中对恒星内部平衡方程的推导，不仅步骤详细，而且配以清楚的文字说明和插图，非常便于学生理解。此外本书的习题充足，给学生很多练习的机会。

3.3 贴近前沿，注重联系实际

贴近前沿是本书一大特点。本书在讲解知识的同时，用了不少的篇幅介绍相应的背景知识，最新科研观测成果和实际的应用。让读者能在现实的基础上学习相应的理论知识，并且不脱离实际。毕竟，天文学中实际观测是研究中很重要的一个方面。如在本书Part I, 第6节 Telescopes中的最后一小节，介绍了巡天观测和虚拟天文台等当代最新的技术。

本书的每一章都是以一个未解决的天体物理问题开头，这样不仅紧贴前沿，还能激发学生的兴趣。

4、本书的学术价值

天体物理学作为天文学一个重要的分支，对天文观测起着理论指导的作用，是物理学在天文学上的重要应用。天体物理学不仅在人类认识宇宙和自己的探索过程中起着重要作用，也有很大的实际应用价值。空间天体物理学，高能天体物理学，和太阳系天体物理学等分支在人类开发空间资源，有效避免灾害，宇宙航行和开发新能源等方面有着重要的应用。

本书作为天体物理学的入门课程的教科书，其翔实的内容，细致的讲解，具体的数据和模型，对培养天体物理学和天文学人才起了重要的作用。由于其内容广泛具体性，也可以作为天文学工作者的参考工具书。

本书是哈佛大学，加州大学伯克利分校，康奈尔大学，加州理工学院，芝加哥大学，普林斯顿大学等103所美国高校的天体物理学教材。

5、本书的社会反映和相关评论

本书的第一版出版后，反响强烈。有超过一百所美国大学包括哈佛大学，加州大学伯克利分校等知名学府将此书作为教材。学生们也十分喜欢本书，亲切称它为”BOB”，即”Big Orange Book”(大橘书,因为本书的封面是橘色的)。《Physical Today》杂志1997年5月刊登载了华盛顿大学圣路易斯分校的Michael Friedlander的评论：

“那些写过介绍性教材和教新生天文学课程的人应该放下手头的事来好好学学作者（指Bradley W.Carroll和Dale A.Ostlie）在编写教材上广阔的视野和合理的细节。”

《New Scientist》杂志1998年3月28日刊登载了斯格菲尔德大学的 David Hughes的评论：

“作者用清晰而精确的佐证创作了这1325页的巨作。许多课程内容都附有扩展阅读的建议，每章都设有丰富的习题。这是一本为天文学新生设置的专业课课本——没有那个大学的天文学学生能拒绝这样的课本。”[3]

6、本书对我国编写大学天体物理入门教材的启示

天体物理作为天文学的二级学科，是天文学理论研究和观测的基础。在国外天体物理作为物理学专业的一门专业课在诸如哈佛大学，普林斯顿大学等一百多所大学的物理系开设，为培养天文学人才提供了基础。而在我国，天文学专业作为本科生专业只在四所大学（北京大学、南京大学、北京师范大学和中国科学与技术大学）开设，并且在物理学各专业中并不开设天文学的基础课，这导致我国在天文学方面的基础人才短缺，是值得人深省的事。通过阅读《An Introduction to Modern Astrophysics》得到对国内大学天体物理入门课程教材的启示：

6.1 注重物理基础，强调计算推演

众所周知，物理的基础是数学，而天文的基础是物理。虽然天文学的主要研究工作是天文观测，但对观测数据的处理和建立模型都需要物理理论作为基础。比如，进行光谱分析时就要涉及电磁学，量子力学和黑体辐射的相关知识。研究黑洞视界和黑洞质量时需要用广义相对论。进行恒星大气探索时，需要用热力学和统计力学的知识。

可以说虽然天体物理的描述性内容较多，但作为一门理科，仍有许多理论推导与计算。在编写教材的时候，应该注意这一点，不应忽视对天体物理相关的基础物理知识和方法的介绍。

本书把基础的物理概念和知识作为第一章天文学的工具放在书的开头，有助于学生理解后面章节的推导。

6.2 力求图例翔实，注重图标信息

天文学中有许多观测数据，照片分析和图像。进行数据对比和分析是天文工作者的重要工作，也是教学的重点。许多天文现象和天体特性要通过数据的对比和分析，才能更好地理解。

如本书在太阳系那一部分（section）中，在介绍太阳大气时给出丰富而具体的数据，从大气光谱的分析，到各种元素的比例，细致入微到即使作为一个科研报告都绰绰有余。再如介绍木星时对木星大气的成分，内核的元素比例，光环的组成和各个卫星的组成元素及其比例都给出了详实的数据，让学生对科研的艰难和严谨在一开始就有深刻的认识，并且培养了学生严谨治学科研的态度和用数据说话的习惯。

这对我国同类教材的编写有很大的启示，不是仅仅做做样子展示一些实验的数据，甚至有些数据都是错误或者是过时，而要展示给学生的是科研的真实面貌，实实在在地把看似枯燥无味的数据展示给学生，并通过对这些数据的分析向学生展示科学的结果和结论是怎么得出来的，教会学生分析处理数据和科学分析问题的思维方法。

6.3 紧跟科学前沿，关注实际应用

在本书的第二版前言中作者就通过最新的超新星观测成果，引入了最近十年天文学中观测和理论的重大进展和发现，也导入了本书的编写目的和特色。本书还加入了电脑编程的章节，运用电脑程序帮助研究宇宙和星系的演化，运用电脑和现代信息手段进行研究是现代科学的重要科学研究手段之一。本书中既包括单机电脑程序问题的解决，总共给出了超过500个的电脑编程问题，也包括网上在线编程的部分。

结合现代高新信息技术，是我们编写教材时应该学习的地方。恰当的电脑程序问题的给出，也是一门学问。

7、章节目录：

前言

Ⅰ.天文学预备知识

1.天球

1.1 古希腊天文学

1.2 哥白尼的革命

1.3 天球上的位置表示

1.4 物理和天文

2.天体力学

2.1行星的椭圆轨道

2.2牛顿力学

2.3开普勒三定律

2.4维里定理

3.连续光谱

3.1 恒星视差

3.2 恒星星等

3.3 光的波动性

3.4 黑体辐射

3.5 能量量子化

3.6 恒星色指数

4.狭义相对论

4.1 伽利略变换的局限

4.2 洛伦兹变换

4.3 狭义相对论的时空观

4.4 相对论动量与能量

5.光与物质的相互作用

5.1 光谱线

5.2 光子

5.3 玻尔原子模型

5.4 量子力学和波粒二象性

6.望远镜

6.1 基础光学 6.2 光学望远镜

6.3 射电望远镜

6.4 红外，紫外，X射线和伽马射线天文学

6.5 巡天观测和虚拟天文台Ⅱ. 恒星的性质

7.双星系统和恒星参数

7.1 双星系统的分类

7.2 目视双星的质量测定

7.3 食双星和分光双星

7.4 寻找太阳系外的行星

8.恒星光谱的分类

8.1 恒星谱线的形成

8.2 赫罗图

9.恒星大气

9.1 辐射场的描述

9.2 恒星不透明度

9.3 辐射转移

9.4 辐射转移方程

9.5 光谱形分析

10.恒星内部

10.1 流体静力学平衡

10.2 物态方程

10.3 能量来源

10.4 能量输运和热力学

10.5 恒星模型的建立

10.6 主星序

11.太阳

11.1 太阳内部

11.2 太阳大气

11.3 太阳周期

12. 星际物质和恒星的形成

12.1 星际尘埃和气体

12.2 原恒星的形成

12.3 前主序星的演化

13.主序星和后主序星的演化

13.1 主序星的演化

13.2 恒星演化的晚期阶段

13.3 星团

14. 恒星脉动

14.1 脉动变星的观测

14.2 脉动变星的物理规律

14.3 脉动变星模型

14.4 非径向脉动变星

14.5 日震学和星震学

15.大质量恒星的演化规律

15.1 大质量恒星的后主序演化过程

15.2 超新星的分类

15.3 核塌缩超新星

15.4 伽马射线暴

15.5 宇宙射线

16. 恒星的归宿

16.1 天狼星B的发现

16.2 白矮星

16.3 简并态物质的物理规律 16.4 钱德拉塞卡极限

16.5 白矮星的冷却

16.6 中子星

16.7 脉冲星

17.广义相对论和黑洞

17.1 广义相对论

17.2 时空间隔和测地线

17.3 黑洞

18.密近双星系统

18.1 密近双星系统的引力

18.2 密近双星的吸积盘

18.3 密近双星间相互作用的研究

18.4 半分离双星系统中的白矮星

18.5 Ia超新星

18.6 双星系统中的中子星和黑洞

Ⅲ. 太阳系

19.太阳系中的物理过程

19.1 太阳系简介

19.2 潮汐力

19.3 大气的物理属性

20.类地行星

20.1 水星

20.2 金星

20.3 地球

20.4 月球

20.5 火星

21.巨行星

21.1 巨行星的世界

21.2 巨行星的卫星

21.3 行星环系统

22.矮行星

22.1 冥王星和卡戎

22.2 彗星和柯依伯带天体

22.3 小行星

22.4 陨石

23.行星系统的形成

23.1 系外行星系统的特点

23.2 行星系统的形成和演化

IV 星系和宇宙

24.银河系

24.1 天上的星星有多少

24.2 银河系的形态结构

24.3 银河系的运动规律

24.4 银心

25.星系的性质

25.1 哈勃序列

25.2 旋涡星系和不规则星系

25.3 旋涡结构

25.4 椭圆星系

26.星系的演化

26.1 星系互相作用

26.2 星系的形成

27.宇宙的结构

27.1 河外星系距离尺度

27.2 宇宙的膨胀

27.3 星系团

28.活动星系

28.1 活动星系的观测

28.2 活动星系核的统一模型

28.3 射电瓣和喷流

28.4 利用类星体探索宇宙

29.宇宙学

29.1 牛顿宇宙学

29.2 宇宙微波背景辐射29.3 相对论宇宙学29.4 观测宇宙学30.早期宇宙

30.1 甚早期宇宙和暴涨

30.2 宇宙结构的起源

参考文献：

[1]Bradley W. Carroll, Dale A.Ostlie. An Introduction to Modern Astrophysics (second edition), Pearson Addison Wesley

[2]百度百科：“天体物理学”词条。

[3]https://www.sodocs.net/doc/d47478165.html,/astrophysics/Reviews.html

[作者简介]张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，现主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究；暴鹏程（1990-），男，河北秦皇岛人，南开大学物理科学学院本科生；马志远（1987-），男，山西朔州人，南开大学物理科学学院研究生，主要从事宇宙学的研究。

本文系教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”的阶段性成果之一。