第 1章 天体力学 1
1.1 开普勒定律 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 如何利用牛顿运动定律推导出开普勒第二定律 4
1.1.3 受到微小恒定阻力的人造卫星轨道如何变化 5
1.2 双星轨道计算 10
1.2.1 概述 10
1.2.2 为什么分光双星系统中两颗成员星的光谱总是交替
发生红移和蓝移 14
1.3 双星的质量和半径 16
1.3.1 概述 16
1.3.2 为什么说双星系统的质心做匀速直线运动 18
1.3.3 如何由双星系统的速度曲线推断其质量 18
1.3.4 为什么双星系统中质量大的成员星的运动速度小 20
1.4 系外行星搜索 21
1.4.1 概述 21
1.4.2 什么样的系外行星比较容易被发现 23
1.4.3 其他智慧生物能用视向速度法找到我们吗 24
1.4.4 其他智慧生物能用凌星法找到我们吗 25
1.4.5 搜寻另一个“地球”有哪些主要困难 26
思考题 28
第 2章 相对论 29
2.1 狭义相对论 29
2.1.1 概述 29
2.1.2 在海平面上能探测到多少μ子 36
2.1.3 为什么来自喷流的辐射变化特别快 37
2.1.4 为什么能观测到超光速喷流 39
2.1.5 相对论性喷流的功率有多大 42
2.2 广义相对论 43
2.2.1 概述 43
2.2.2 导航卫星上的高精度原子钟会受到广义相对论的
影响吗 57
2.2.3 为什么可以通过双脉冲星观测验证引力波理论 58
2.2.4 如何根据透镜所成的像得到光源的位置和透镜的
质量 60
思考题 63
第3章 主序星 64
3.1 恒星的分类和赫罗图 64
3.1.1 概述 64
3.1.2 为什么在太阳光谱中较重的元素产生的吸收线更
尖锐 71
3.1.3 如何通过观测谱线的轮廓来测量恒星的自转速度 72
3.1.4 太阳在诞生时的光度是多少 74
3.1.5 等半径恒星在赫罗图上如何分布 74
3.1.6 由赫罗图上主序星和巨星悬殊的数量能得到什么
结论 76
3.1.7 如何分辨观测到的一个双星系统是不是物理双星 76
3.2 恒星的结构 77
3.2.1 概述 77
3.2.2 理想气体状态方程对于不同组分有何不同 79
3.2.3 如何由流体静力学平衡方程推出位力定理 81
3.2.4 如何推断恒星核心区域的温度 84
3.2.5 恒星内部能量的传递方式有哪些 86
3.2.6 如何用流体静力学平衡方程解释恒星的质量-光度
关系 90
3.3 恒星能源 91
3.3.1 概述 91
3.3.2 恒星的能量来源可能是引力势能吗 92
3.3.3 恒星的能量来源可能是化学能吗 94
3.3.4 恒星的能量来源可能是核能吗 95
3.3.5 发生核聚变的条件是什么 97
3.3.6 太阳核心区域内有多大比例的粒子能够克服库仑
势垒 102
3.3.7 为什么核反应速率正比于物质密度的平方 103
3.3.8 为什么CNO循环需要的温度高于质子-质子链
反应所需的温度 104
3.3.9 太阳核心区域还需要多长时间才会形成一个氦核 107
3.3.10 太阳在核反应结束时形成的氦核有多大 108
3.3.11 恒星的寿命由什么决定 110
3.3.12 如何从赫罗图推断出球状星团的年龄 111
思考题 117
第4章 星际介质与恒星的形成 118
4.1 星际介质 118
4.1.1 概述 118
4.1.2 为什么可以通过观测星团直径来测量消光效应 124
4.1.3 为什么韦布空间望远镜的口径比哈勃空间望远镜
的口径大得多，但它们的观测分辨率几乎一样 125
4.2 金斯不稳定性 126
4.2.1 概述 126
4.2.2 质量略小于金斯质量的分子云会有怎么样的命运 128
4.2.3 若分子云有一定的旋转运动，其金斯质量会怎样
变化 130
4.2.4 磁场对金斯质量有怎样的影响 130
4.3 分子云坍缩过程 132
4.3.1 概述 132
4.3.2 原恒星的收缩速度有多大 134
4.3.3 为什么银河系中的大部分恒星是散布在其中的
场星 135
4.3.4 若一个分子云因质量大于金斯质量而坍缩，它的
最终结局会是怎样的 138
4.3.5 如果分子云坍缩过程是绝热的，会发生什么 140
思考题 141
第5章 致密星 143
5.1 白矮星 143
5.1.1 概述 143
5.1.2 静力学平衡条件要求白矮星有极大的温度梯度，
这是否与观测结果相符 148
5.1.3 白矮星如此致密，它为什么不会坍缩 149
5.1.4 太阳核心区域的电子简并压有多大 154
5.1.5 为什么钱德拉塞卡极限几乎与白矮星的成分无关 155
5.1.6 大质量白矮星中心物质的物态有什么变化 156
5.1.7 转动的白矮星的钱德拉塞卡极限会有怎样的变化 156
5.2 中子星（脉冲星） 158
5.2.1 概述 158
5.2.2 地球的最短自转周期是多少 166
5.2.3 为什么研究中子星的结构时需要用TOV方程，
而研究白矮星的结构时不需要 167
5.2.4 白矮星和中子星的磁场是如何形成的 168
5.2.5 为什么脉冲星的自转周期极短 170
5.2.6 为什么脉冲星的自转周期会变长 172
5.2.7 为什么说被观测到的脉冲星只是中子星的一小部分 175
思考题 176
第6章 黑洞 177
6.1 黑洞吸积盘 177
6.1.1 概述 177
6.1.2 天鹅座X-1每年会吞噬多少物质 187
6.1.3 黑洞会通过吸积而长大吗 188
6.1.4 人类发现的第 一个类星体3C 273的黑洞质量有多大 189
6.1.5 事件视界望远镜还能给哪些黑洞拍照 190
6.1.6 薄吸积盘光度的上限是多少 192
6.2 潮汐瓦解事件 194
6.2.1 概述 194
6.2.2 太阳会被银河系中心黑洞的潮汐力瓦解吗 197
6.2.3 什么样的黑洞才能撕碎白矮星和中子星 198
6.2.4 潮汐瓦解事件形成的吸积盘有多大 199
6.2.5 为什么潮汐力瓦解双星系统时只加速其中一颗成员星 200
思考题 204
第7章 星系 205
7.1 银河系 205
7.1.1 概述 205
7.1.2 太阳以内到银河系中心这一区域的物质质量是多少 209
7.1.3 如何通过21cm氢线观测确定银盘、旋臂的结构 210
7.1.4 为什么说银河系的绝大部分质量来自暗物质 212
7.1.5 如何通过观测银心附近的恒星的运动轨道测量
中心黑洞的质量 215
7.1.6 在银河系中心测得的约430万倍太阳质量可能是
恒星团的吗 217
7.2 星系的类型和性质 221
7.2.1 概述 221
7.2.2 如何通过测量恒星的速度弥散得到星系中心黑洞
的质量 225
7.2.3 塔利-费希尔关系的物理意义是什么 226
7.2.4 费伯-杰克逊关系的物理意义是什么 229
7.3 星系间的相互作用及其演化 230
7.3.1 概述 230
7.3.2 在星系碰撞和并合中发生的主要物理过程是什么 233
7.3.3 为什么说车轮星系的特征缘于星系相互作用 236
7.4 活动星系 239
7.4.1 概述 239
7.4.2 为什么宽发射线区一定是由团块组成的 243
7.4.3 为什么宽发射线区的半径大致正比于电离光度的
1/2次方 244
7.4.4 X射线空腔是怎么形成的 246
思考题 249
第8章 宇宙学 251
8.1 牛顿宇宙学 251
8.1.1 概述 251
8.1.2 现代宇宙学能否解决奥伯斯佯谬 257
8.1.3 红移和宇宙大小的关系是怎样的 258
8.1.4 为什么日地距离不会随宇宙膨胀而增大 259
8.1.5 如何测量近邻宇宙质量密度 260
8.2 宇宙微波背景辐射 262
8.2.1 概述 262
8.2.2 宇宙微波背景辐射是怎么产生的 264
8.2.3 除了直接观测，还有什么观测能限制宇宙微波
背景辐射的温度 266
8.3 相对论宇宙学 269
8.3.1 概述 269
8.3.2 为什么早期宇宙中的氢氦质量比是3∶1 272
8.3.3 暗能量是如何被发现的 274
8.3.4 为什么可以通过观测宇宙微波背景辐射测量
宇宙学参数 276
思考题 278
结语 279
附录 280
A 引力聚焦效应的推导 280
B 动力学摩擦公式的推导 282
思考题解答 286
