天文學與生活(原書第7版)（簡體書）

天文學是研究宇宙空間天體、宇宙的結構和發展的學科。本書通過對科學過程、宇宙大小和年齡，以及星系的演化，介紹了天文學的基本知識。內容包括天體和天球及其坐標、時間與曆法、星空區劃和四季星空、天文觀測工具和手段、天體物理性質及其測定、太陽系、地月系、地球及其運動、恒星、星系、宇宙等。全書通過緊密聯繫星空與地球的關係，說明了天文學對人類生活的影響，以及人類的未來。

孫豔春：北京師範大學天文系副教授，本科畢業于南京大學天文系，博士畢業于北京師範大學天文系。在北京師範大學天文系和物理系主講“天文學導論”課程多年，是何香濤教授領隊的全國天文類第一門國家級精品課程“天文學導論”團隊核心的主講教師，國家級精品資源共享網絡教學建設者。曾獲北京市高校青年教師教學基本功比賽理科三等獎，並兩次作為團隊主要成員獲北京市高等教育教學成果二等獎。從事星系形成與演化和宇宙大尺度結構研究工作，主持和參加完成多項國家自然科學基金項目，主持完成MIT OCW 翻譯項目Introduction to Astronomy。

天文學是最能引起人們廣泛興趣的學科，現代天文學已進入全新的全波段研究階段，研究成果日新月異，發展迅速。21世紀是天文學發展的黃金時代，國家需求和國際競爭對天文人才在數量和質量上提出了更高的要求。我國天文學人才培養的目標定位是：按天文學一級學科設置課程，培養既重視基礎知識又注意培養創新能力，既重視理論又重視觀測和數據處理能力的基礎研究人才與應用研究人才。因此在基礎天文教學中，要從理念、體系、內容、方法和教師隊伍等方面進行創新和改革, 使得天文專業的學生、廣大的天文科普和愛好者瞭解天文學，尤其是瞭解近代天文學的發展過程和當前研究的新成就與新動態。無論是發達國家還是中國，無一例外地都把“天文學導論”列入天文本科生的必修（選修）課。
美國大學的這本天文學導論為新入學的學生提供了一本內容豐富的教材，從地球、行星到天體物理導論，覆蓋了所有的天文學發展階段。相比國內的天文學教材，更能激發學生學習天文的興趣和熱情。
原書（第7版）是廣泛在美國使用的天文學導論暢銷書。原書前言中詳細地介紹了新增和改進的內容，結合近些年天文學的迅猛發展，增加了許多天文學進展的新內容，尤其是有關當代天文學的新認識、新發展和公眾對天文學的各種興趣熱點。書中教學手法多樣先進，教學目標、內容、網絡學習、作業和反饋方式等都做了精心設計，努力做到科學知識的有趣和寓教於樂，是一本不可多得的大學本科生或天文愛好者的入門教材。
譯者孫豔春是國家級精品課程“天文學導論”的主講老師，從事天文學教學十多年，經驗豐富，多次獲得學校和北京市教學獎，希望本書的出版能為我國的天文書庫增加一份光彩。


前言
很榮幸有機會在本書中介紹當今天文學的知識。書中介紹的知識不僅包括那些我們耳熟能詳的內容，還包括一些先進的思想方法，以及許多人類不久前才剛剛探索到的領域。
本書的對象是未在大學上過自然科學課程或不主修物理學或天文學的讀者。書中以簡單易懂的語言來描述天文學的各個領域，不提供複雜的數學計算。儘管略去了複雜的數學過程，但仍保留了對天文學中許多重要概念的討論。我們選擇使用定性的方式進行推理。某個概念相對比較複雜時，我們會使用讀者熟悉的物體或現象進行類比。我們在本書中傳達了我們對天文學的熱愛，希望讀者能夠對奇妙的宇宙產生濃厚的興趣。
很高興本書的前六版在天文學教育界受到了廣泛歡迎。前六版的讀者為我們提供了許多有益的反饋和建設性批評，讓我們更好地瞭解到了天文學的許多基本原理和趣事，並在第七版中做了改進。
本書的結構與研究方法
類似於此前的版本，我們仍然遵循當前流行且有效的“沖出地球”項目。我們發現，大多數學生，尤其是沒有自然科學背景的學生，相較於恒星與星系，更瞭解太陽系。因此，我們首先以地球和月球作為基本的行星系統模型來討論太陽系中天體的運動。然後，我們整合太陽系的內容並討論太陽系的形成。研究太陽的這一認知過程對讀者而言是最普遍的。
我們把太陽作為標準星，以便將討論拓展到一般恒星。我們將研究普通恒星的性質，研究它們的演化史和不同命運。當然，大量恒星的研究會促使我們去瞭解恒星的結合體――星系。我們位於銀河系中，因此自然會去瞭解銀河系，繼而引導我們去研究那些非常遙遠的星系――河外星系。最終，我們將觸及宇宙層面的內容，包括宇宙學、宇宙大尺度結構和宇宙動力學。自始至終，我們都力求強調宇宙的動態本質。實際上，每個主題（不論是關於行星的還是關於類星體的）都將討論這些天體的形成與演化。
源於近年來的教學經驗，我們在前幾章中新增了許多物理學基礎知識。此後，不論是在正文中還是在“發現”和“更為準確”模塊中，都可能新增其他的物理學原理。對物理學的內容，我們進行了更多的定量討論，必要時讀者可以略過這些內容。若教師希望在研究恒星和宇宙前，只對太陽系的基礎部分進行教學，則只需在講授第4章後，直接跳到第9章。
第7版的新內容
天文學領域發展迅速，第7版中每章的內容都有更新。有些章節因為內容精簡的需要，結構上做了重大調整，增加了關於科學進展的內容，以便反映當代天文學的新認識。書中的主要改進如下：

? 在開篇處添加了關於天文最新發現的圖片。
? 提供了更直接、更準確的天體描述。
? 對大量圖片添加了注釋，並對大多數圖片的說明文字進行了精簡。
? 在每章末尾增加了複習題和討論題。
? 簡化了數學計算。
? 第1章新增內容：古代天文學的發現。
? 第3章新增內容：費米伽馬射線望遠鏡的介紹及其發現。
? 第4章更新內容：小行星和彗星的探測項目。
? 第4章重寫並更新內容：系外行星的討論。
? 第5章更新內容：月球勘測軌道衛星、月球環形山觀測和傳感衛星、引力恢復和內部實驗室的月球項目。
? 第5章新增內容：月球固態內核中的新發現。
? 第6章重寫內容：類地行星大氣演化和碳循環的討論。
? 第7章新增內容：空間探索的新發現。
? 第7章更新內容：彗木碰撞和土星風暴的新圖像。
? 第7章和第8章更新內容：卡西尼和朱諾項目介紹。
? 第8章增加並更新內容：卡西尼對土衛二、土衛六、土衛八、土星E環的新發現，冥王星及其衛星的新圖像。
? 第9章更新內容：太陽動力學天文臺（SDO）項目，包括幾幅太陽的新圖像。
? 第9章更新內容：太陽內部環流及其對太陽黑子週期的影響。
? 第11章更新內容：銀河系和星雲圖像。
? 第12章更新內容：星團赫羅圖和一些圖像。
? 第12章更新內容：球狀星團中關於星族的最新討論。
? 第12章更新內容：SN 1987A的最新報道。
? 第13章更新內容：中子星的質量和脈衝星的數量。
? 第14章修改內容：伽馬射線暴。
? 第14章新增內容：銀暈中恒星的潮汐流。
? 第14章更新內容：銀河系核球的最新討論。
? 第15章修改內容：哈勃常數的當前值。
? 第15章和第16章更新內容：一些已知最遙遠星系和類星體的數量、紅移和圖像。
? 第17章修改內容：更清晰地對宇宙學進行了表述。
? 第18章修改內容：行星系統和宜居行星。

呈現方式
可視化教學在天文學教學和實踐中有重要的作用，因此本書中將繼續強調這一點。為豐富書中的內容，並力求展示各種宇宙天體最好和最新的圖像，我們會盡可能地使美學與科學緊密結合；為方便讀者的學習，書中的每個演示示例都是精心設計的。
全波段覆蓋和光譜圖標
天文學家越來越多地使用整個電磁波譜來收集宇宙的信息。本書選擇在射電、紅外、紫外、X射線或伽馬射線波段拍攝的圖像，作為可見光波段圖像的補充。由於有時很難（即使是專業人員）一眼看出哪些圖像是在可見光波段拍攝的，哪些圖像是其他波段合成的偽彩色圖像，因此我們在每幅照片旁添加了一個圖標，用以識別成像時所用電磁輻射的波長。
其他教學功能
類似於其他教材，本書同樣為讀者提供提高學習效率的方式。
? 學習目標。研究表明，新生往往難以確定教材優先學習的順序。因此，每章的章首都提供一些明確的學習目標，以幫助學生在閱讀本章後瞭解應掌握哪些知識與能力，然後據此進行調整。我們對這些學習目標進行了編號，並與“本章小結”和“複習題”部分的項目進行了關聯。因此，這樣做突出了每章的重要內容，可幫助學生掌握重點並安排學習進度。
? 概念鏈接。天文學中，天體性質和物理學原理間的聯繫至關重要。學生在第15章學習哈勃定律時，第2章中所學到的關於譜線和多普勒頻移的知識很重要。同樣，討論雙星系統中每顆恒星的質量時（見第10章）或研究銀河系的自轉時（見第14章），都需要具備第1章中介紹的關於開普勒定律和牛頓定律的知識。自始至終，天文學中新天體和新概念的討論很大程度上都取決於之前介紹的概念。
? 概念檢查。每章中都給出了概念檢查，其具體內容是讀者需要通過更多的上下文去重新考慮所提出的一些關鍵問題。
? 圖像類比。為讓讀者更清楚地掌握知識，我們使用圖像類比法，用日常生活中的經驗來解釋複雜的天文學概念。
? 圖像組合。一幅圖片，不論是照片還是藝術想像圖，都難以概括複雜天體的各個特徵。因此，我們盡可能用多種圖像嘗試以最生動的方式來傳達最大數量的信息：可見光圖像常和其他波段的圖像一起出現。解釋性曲線常常疊加或並列在真正的天文圖像上，以幫助學生瞭解圖像所表達的內容。採用了局部視場放大的形式，以便深入瞭解圖像的細節。
? 赫羅圖和疊加圖層：書中的所有赫羅圖都是根據真實數據以統一格式繪製的。此外，還提供了不同顏色的圖層，以幫助讀者瞭解恒星的演化。
? 【更為準確】圖文框。這種圖文框提供了許多定量的內容，它是正文中定性討論的延伸。之所以將這些更有挑戰性的主題從正文中刪除而放到單獨的圖文框中，是因為這樣做可讓教師在教學時更具靈活性。
? 【發現】圖文框。這種圖文框探討各種趣聞，讓讀者瞭解科學知識的演化。
? 各章小結。再次給出每章中的關鍵術語。
? 章末習題。我們在章末提供習題，目的是幫助讀者自我評估學習成果。習題分為如下幾類： “複習題”“概念自測：判斷題/多選題”“計算題”“活動”。
教師資源和學生資源
? MasteringAstronomy：www.masteringastronomy.com。MasteringAstronomy是世界上最先進、使用最廣泛的天文學教育和評估系統。這個課後作業、輔導和評估系統可以通過具體問題單獨指導每名學生。學生也可通過測試練習、動畫和視頻來進行自學。
? 教師資源手冊：www.pearsonhighered.com/educator。因為第7版的更新，教師手冊提供了新的教學大綱和課程安排，包括每章的概述、教學重點、有用的類比、課堂演示、習題解答等。
? 題庫：www.pearsonhighered.com/educator。第7版的題庫提供2500道題，包括多選題、判斷題、填空題、簡答題和論述題。
致謝
在本書成稿之前，許多同事提出了很多批判性的建議，本書前六版和《今日天文》的很多讀者也提出了反饋與建議。在此，對他們致以誠摯的感謝。

第1部分 基礎

第0章 天空巡禮：天文學基礎/2
0.1 如眼所見/3
0.1.1 我們在空間中的位置/3
0.1.2 天上的星座/3
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 天體的周日視運動/6
0.2.2 季節變化/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 科學和科學方法/16
本章回顧/19
小結/19
複習題/20
概念自測：判斷題/多選題/20
計算題/20
活動/21

第1章 哥白尼革命：現代科學的產生/22
1.1 行星的運動/23
1.1.1 天空中的流浪者/23
1.1.2 地心說宇宙模型/23
1.1.3 太陽系的日心說模型/26
1.2 現代天文的產生/27
1.2.1 伽利略的歷史性觀測/28
1.2.2 哥白尼體系的優勢/29
1.3 行星運動定律/29
1.3.1 第穀的複雜數據/30
1.3.2 開普勒定律/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 引力/34
1.4.3 軌道運動/35
1.4.4 重新考慮開普勒定律/36
1.4.5 科學進步的循環/37
本章回顧/38
小結/38
複習題/38
概念自測：判斷題/多選題/38
計算題/39
活動/39

第2章 光和物質：宇宙的內部作用/40
2.1 來自空中的信息/41
2.1.1 光和輻射/41
2.1.2 波動/42
2.2 波是什麼/43
2.2.1 帶電粒子間的相互作用/44
2.2.2 電磁學/44
2.3 電磁波譜/45
2.3.1 可見光成分/45
2.3.2 輻射的整個範圍/46
2.4 熱輻射/47
2.4.1 黑體光譜/47
2.4.2 輻射定律/48
2.4.3 天文應用/50
2.5 光譜儀/50
2.5.1 發射線/50
2.5.2 吸收線/52
2.5.3 天文應用/53
2.6 譜線的形成/54
2.6.1 原子結構/54
2.6.2 輻射粒子的本質/55
2.6.3 氫的光譜/55
2.6.4 基爾霍夫定律的解釋/56
2.6.5 更複雜的光譜/57
2.7 多普勒效應/58
2.8 譜線分析/59
本章回顧/60
小結/60
複習題/60
概念自測：判斷題/多選題/61
計算題/61
活動/61

第3章 望遠鏡：天文學的工具/62
3.1 光學望遠鏡/63
3.1.1 反射式和折射式望遠鏡/63
3.1.2 反射式望遠鏡的分類/65
3.1.3 探測器和圖像處理/68
3.2 望遠鏡大小/69
3.2.1 集光能力/69
3.2.2 分辨能力/71
3.3 高分辨率天文學/72
3.3.1 大氣模糊效應/72
3.3.2 新型望遠鏡設計/72
3.4 射電天文學/74
3.4.1 射電望遠鏡基礎/74
3.4.2 射電天文學的價值/75
3.4.3 干涉測量法/76
3.5 空基天文學/78
3.5.1 紅外和紫外天文學/78
3.5.2 高能天文學/80
3.5.3 全波段覆蓋/82
本章回顧/83
小結/83
複習題/84
概念自測：判斷題/多選題/84
計算題/84
活動/85

第2部分 我們的太陽系

第4章 太陽系：行星際物質和行星的誕生/88
4.1 太陽系簡介/89
4.1.1 行星的性質/89
4.1.2 類地行星和類木行星/91
4.1.3 太陽系碎片/92
4.2 行星際物質/92
4.2.1 小行星軌道/92
4.2.2 小行星的性質/94
4.2.3 彗星/96
4.2.4 彗星軌道/99
4.2.5 流星體/100
4.3 太陽系的形成/103
4.3.1 模型要求/104
4.3.2 星雲收縮/105
4.3.3 行星形成/106
4.3.4 形成類木行星/108
4.3.5 太陽系的分異/109
4.3.6 小行星和彗星/110
4.3.7 太陽系的規則性和不規則性/111
4.4 系外行星/111
4.4.1 探測系外行星/111
4.4.2 系外行星的性質/113
4.4.3 系外行星的組成/115
4.4.4 太陽系不同尋常嗎/115
4.4.5 尋找地球類行星/116
本章回顧/117
小結/117
複習題/118
概念自測：判斷題/多選題/118
計算題/119
活動/119

第5章 地球及其衛星：我們的宇宙後院/120
5.1 地球和月球/121
5.1.1 物理性質/121
5.1.2 整體結構/122
5.2 潮汐/122
5.2.1 重力變形/122
5.2.2 潮汐鎖定/124
5.3 大氣層/125
5.3.1 地球的大氣/125
5.3.2 溫室效應/127
5.3.3 月球空氣/128
5.4 地球和月球的內部結構/130
5.4.1 地震學/130
5.4.2 地球內部建模/130
5.4.3 分異/132
5.4.4 月球內部/132
5.5 地球的表面活動/133
5.5.1 大陸漂移說/133
5.5.2 是什麼驅動板塊運動/134
5.5.3 月球上的板塊構造/136
5.6 月球的表面/136
5.6.1 大尺度特徵/136
5.6.2 隕擊/137
5.6.3 月球侵蝕作用/139
5.7 磁層/139
5.7.1 地球的磁層/139
5.7.2 月球的磁場/141
5.8 地月系統的歷史/141
5.8.1 月球的形成/141
5.8.2 月球的演化/142
本章回顧/143
小結/143
複習題/144
概念自測：判斷題/多選題/144
計算題/145
活動/145

第6章 類地行星：對比研究/146
6.1 軌道和物理性質/147
6.2 自轉速率/148
6.2.1 水星奇特的自轉/148
6.2.2 金星和火星/149
6.3 大氣層/150
6.3.1 水星/151
6.3.2 金星/151
6.3.3 火星/152
6.4 水星表面/152
6.5 金星表面/154
6.5.1 大比例尺地形圖/154
6.5.2 火山作用和隕擊/155
6.6 火星表面/157
6.6.1 大比例尺地形圖/158
6.6.2 火星上的火山活動/160
6.6.3 火星上過去有水的證據/160
6.6.4 今天水在火星上的何處/162
6.6.5 火星著陸器的探索/164
6.7 內部結構和地質歷史/167
6.7.1 水星/167
6.7.2 金星/168
6.7.3 火星/168
6.8 地球、金星和火星上的大氣演化/169
6.8.1 金星上失控的溫室效應/169
6.8.2 火星大氣層的演化/170
本章回顧/171
小結/171
複習題/171
概念自測：判斷題/多選題/172
計算題/172
活動/172

第7章 類木行星：太陽系中的巨型天體/173
7.1 木星和土星的觀測/174
7.1.1 地球視角/174
7.1.2 空間探測器探索/175
7.2 天王星和海王星的發現/176
7.3 類木行星的體特性/178
7.3.1 物理性質/179
7.3.2 自轉速率/180
7.4 木星的大氣/181
7.4.1 整體外觀和組成/181
7.4.2 大氣結構/182
7.4.3 木星上的天氣/183
7.5 外層類木行星的大氣/184
7.5.1 土星大氣的組成/184
7.5.2 土星上的天氣/185
7.5.3 天王星和海王星的大氣成分/186
7.5.4 天王星和海王星上的天氣/186
7.6 類木行星的內部/187
7.6.1 內部結構/188
7.6.2 磁層/189
7.6.3 內部加熱/190
本章回顧/192
小結/192
複習題/192
概念自測：判斷題/多選題/192
計算題/193
活動/193

第8章 衛星、環和類冥矮行星：巨人之間的小世界/194
8.1 木星的伽利略衛星/195
8.1.1 “小太陽系”/195
8.1.2 木衛一：最活躍的衛星/197
8.1.3 木衛二：鎖定在冰中的液態水/198
8.1.4 木衛三和木衛四：異卵雙生/199
8.2 土星和海王星的大衛星/200
8.2.1 土衛六：帶有大氣的衛星/201
8.2.2 海衛一：從柯伊伯帶中俘獲/204
8.3 中型類木衛星/204
8.4 行星環/207
8.4.1 土星的壯觀環系統/207
8.4.2 洛希極限/208
8.4.3 土星環的精細結構/209
8.4.4 木星、天王星和海王星的環/211
8.4.5 行星環的形成/212
8.5 海王星之外/213
8.5.1 冥王星的發現/213
8.5.2 冥王星-冥衛一系統/213
8.5.3 類冥矮行星和柯伊伯帶天體/215
本章回顧/216
小結/216
複習題/217
概念自測：判斷題/多選題/217
計算題/217
活動/218

第3部分 恒星

第9章太陽：我們的母恒星/222
9.1 太陽/223
9.1.1 整體結構/223
9.1.2 光度/224
9.2 太陽內部/224
9.2.1 太陽結構建模/225
9.2.2 能量輸送/226
9.2.3 太陽對流的證據/228
9.3 太陽的大氣層/228
9.3.1 色球層/229
9.3.2 過渡區和日冕/230
9.3.3 太陽風/231
9.4 活躍的太陽/231
9.4.1 太陽黑子/231
9.4.2 太陽的磁場/232
9.4.3 太陽的活動週期/233
9.4.4 活躍區域/235
9.4.5 X/射線下的太陽/236
9.4.6 變化的日冕/237
9.5 太陽的中心/237
9.5.1 核聚變/237
9.5.2 質子-質子鏈/238
9.5.3 太陽中微子的觀測/240