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第一部分 天文学概况2

第1章 我们在宇宙中的位置2

1.1我们的相邻天体4

1.2科学是观察世界的一种方法8

1.3规律让生命和科学成为可能12

疑难解析1.1单位和科学记数法14

1.4像天文学家那样思考15

天文资讯阅读冥王星被降级为“矮行星”17

小结18

问题和解答题19

探索逻辑谬误21

第2章 天空中的规律——地球的运动22

2.1地球绕地轴自转24

2.2地球绕太阳公转产生四季30

疑难解析2.1运用方程式32

2.3月球运动和月相36

2.4日月食：穿过影子39

2.5天空中行星的运动41

疑难解析2.2开普勒第三定律45

天文资讯阅读美国国家航空航天局（NASA）科学家表示，智利地震可能导致地轴移位46

小结47

问题和解答题47

探索开普勒定律51

第3章 运动定律52

3.1伽利略：首位现代科学家54

3.2科学理论的崛起：牛顿定律掌控着所有物体的运动55

疑难解析3.1计算加速度57

3.3物体质量导致引力存在于任何两个物体之间59

3.4轨道是一个物体绕行另一个物体的路径62

疑难解析3.2牛顿引力定律：玩转比例63

天文资讯阅读温馨提示：请清理你车上的积雪67

小结68

问题和解答题68

探索牛顿特征71

第4章 光与望远镜72

4.1光速74

4.2什么是光？75

疑难解析4.1波长和频率77

4.3如何收集光？79

4.4如何探测光？80

4.5分辨率和大气84

疑难解析4.2衍射极限85

4.6对不可见光波的观测87

天文资讯阅读新型太空望远镜采用从未生产过的材料：国家航空航天局表示没问题90

小结91

问题和解答题91

探索光是一种波93

第二部分 太阳系94

第5章 恒星和行星的形成94

5.1分子云是恒星形成的托儿所96

5.2原恒星变成恒星98

5.3行星的形成101

疑难解析5.1角动量104

5.4内侧圆盘和外侧圆盘的组成物质各不相同106

5.5八大行星的故事108

5.6行星系统是普遍存在的110

疑难解析5.2应用多普勒频移112

天文资讯阅读轨道望远镜观测到许多潜在行星117

小结118

问题和解答题118

探索多普勒频移121

第6章 内太阳系中的陆地世界122

6.1塑造地球表面地形的主要过程124

6.2陨石撞击促进行星地貌的形成和演变126

疑难解析6.1如何估算宇宙年龄130

6.3类地行星的内部特征揭秘了它们的性质130

6.4行星内部的演变是加热和冷却的过程134

疑难解析6.2斯特藩-玻尔兹曼定律136

疑难解析6.3维恩定律137

6.5构造作用促进行星表面的演变139

6.6火山活动：地质活跃行星的标志144

6.7侵蚀作用：磨蚀高山，填补低洼147

天文资讯阅读美国国家航空航天局称：月球上的水量和化学成分的复杂度高于先前的推测150

小结151

问题和解答题151

探索地球的潮汐155

第7章 金星、地球和火星的大气层156

7.1大气层就是空气的海洋158

7.2三颗行星的故事——次生大气的演变159

疑难解析7.1我们如何获知行星的温度？161

7.3地球的大气——我们最熟知的大气165

7.4金星的大气层具有高温、高密度特点172

7.5火星的大气具有温度低和稀薄的特点173

7.6气候变化：地球正在变暖吗？175

天文资讯阅读调查指出：气候变化怀疑论者大多非可靠专家177

小结178

问题和解答题178

探索气候变化181

第8章 巨行星182

8.1巨行星的体积和质量都特别大，温度极低184

疑难解析8.1计算巨行星的直径185

8.2云顶景象188

8.3云团之旅191

8.4风和风暴——巨行星上的恶劣天气193

疑难解析8.2天文学家是如何测量遥远行星上的风速的？194

疑难解析8.3内部热能让巨行星变得炽热196

8.5巨行星内部炽热致密196

8.6巨行星具有强大的磁场198

8.7围绕巨行星的行星环203

天文资讯阅读在土星环中探测到巨大的螺旋桨结构208

小结209

问题和解答题210

探索估算巨行星的自转周期212

第9章 太阳系中的小天体214

9.1矮行星——冥王星和其他行星216

9.2卫星是体积较小的天体217

9.3小行星——过去的片段223

9.4彗星——冰块226

9.5碰撞在今天依旧存在232

9.6太阳系碎片235

天文资讯阅读小型的小行星2010 AL30将飞越地球239

小结240

问题和解答题240

探索小行星的发现243

第三部分 恒星和恒星的演化244

第10章 恒星的测量244

10.1第一步：测量恒星的亮度、距离和光度246

疑难解析10.1视差与距离249

10.2根据恒星的辐射推算出恒星的温度、大小和成分252

10.3测量恒星的质量261

疑难解析10.2测量食双星的质量264

10.4赫罗图是认知恒星的关键265

天文资讯阅读揭开大质量恒星诞生的奥秘：科学家的观察显示所有恒星形成规律均一致，与质量无关269

小结270

问题和解答题270

探索赫罗图273

第11章 我们的恒星：太阳274

11.1太阳结构与平衡相关276

疑难解析11.1太阳还能存活多长时间呢？278

11.2太阳内部282

11.3太阳大气层284

疑难解析11.2太阳黑子和温度289

天文资讯阅读太阳喷发或引起卫星瘫痪294

小结295

问题和解答题295

探索质子-质子链反应299

第12章 小质量恒星的演化300

12.1主序星的寿命和阶段302

疑难解析12.1估算主序星寿命302

12.2恒星将氢元素燃烧殆尽，脱离主序带304

12.3氦开始在简并核心中燃烧308

12.4小质量恒星进入演变的最后阶段310

12.5恒星团是星际演化的镜子315

12.6双星有时候会相互分享质量318

天文资讯阅读科学家可能会错过许多次恒星爆炸321

小结322

问题和解答题322

探索小质量恒星的演化325

第13章 大质量恒星的演化326

13.1大质量恒星有着不同的演化路径328

13.2大质量恒星的生命轰然结束331

13.3超新星奇观和遗骸334

13.4超出牛顿物理学范围以外338

疑难解析13.1车厢试验342

13.5引力是时空扭曲的结果343

13.6黑洞348

天文资讯阅读巨型发热体——比太阳更热更重，亮度更是百万倍于太阳350

小结351

问题和解答题352

探索碳氮氧循环355

第四部分 星系、宇宙和天文学356

第14章 空间膨胀356

14.1宇宙学原理是我们认识宇宙的基础358

14.2宇宙正在膨胀359

疑难解析14.1红移：计算星系的退行速度和距离361

14.3宇宙起源于大爆炸365

疑难解析14.2宇宙膨胀和年龄366

14.4大爆炸理论的主要预测得到了充分证实370

天文资讯阅读数十亿年前天空的图片376

小结377

问题和解答题378

探索适用于气球的哈勃定律380

第15章 星系王国382

15.1星系有许多类型384

15.2恒星是在星系盘的旋臂上形成的388

15.3星系大多是暗物质390

疑难解析15.1计算星系的质量390

15.4大部分星系的中心都有一个特大质量的黑洞394

15.5星系形成星系群、星系团和更大的结构400

天文资讯阅读最新拍摄到的炫目图片显示出相互碰撞的星系呈漩涡状403

小结404

问题和解答题405

探索星系分类407

第16章 我们所在的星系——银河系408

16.1太空并非空无一物410

疑难解析16.1计算尘埃的温度412

16.2测量银河系419

16.3银河系中的恒星421

16.4银河系中有一个超大质量黑洞425

16.5银河系为解释星系是怎样形成的提供了线索426

天文资讯阅读超高速恒星被踢出了银河系428

小结429

问题和解答题430

探索银河系的中心432

第17章 现代宇宙学和宇宙结构的起源434

17.1宇宙也有自己的命运和形状436

17.2暴胀438

17.3宇宙的最初时刻441

疑难解析17.1湮灭产生的光子类型是什么？443

17.4引力是形成大尺度结构的力量之源446

17.5大尺度结构通过合并形成450

17.6从更宽泛的范围思索我们的宇宙453

天文资讯阅读最新的星系映射图帮助寻找暗能量存在的证据457

小结458

问题和解答题458

探索质子的故事461

第18章 宇宙中的生命462

18.1地球上的生命464

18.2地球之外的生命469

18.3探索智慧生命存在的迹象474

18.4地球生命的命运479

天文资讯阅读科学家：地外文明搜索（SETI）应该切换“频道”482

小结482

问题和解答483

探索费米问题和德雷克公式485

附录1：元素周期表487

附录2：行星、矮行星和卫星的性质488

附录3：最近和最亮的恒星491

附录4：星图494

专业术语499

部分答案513