天文学是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科。本书通过对科学过程、宇宙大小和年龄，以及星系的演化，介绍了天文学的基本知识。内容包括天体和天球及其坐标、时间与历法、星空区划和四季星空、天文观测工具和手段、天体物理性质及其测定、太阳系、地月系、地球及其运动、恒星、星系、宇宙等。全书通过紧密联系星空与地球的关系，说明了天文学对人类生活的影响，以及人类的未来。

Eric Chaisson，哈佛大学天体物理学博士，曾为太空望远镜科学研究所高级科技人员，美国约翰?霍普金斯大学和塔夫茨大学教授。现任教于哈佛大学，并在哈佛-史密森尼天体物理中心从事研究工作。出版天文学书籍12部，发表论文近200篇。
李玉龙，中国地质调查局发展研究中心教授，长期从事文献研究与项目研究工作，主持完成或参与完成项目多个，发表论文多篇，翻译出版图书多部。

第1部分 基 础
第0章 绘制天图：天文学基础 2
0.1 如眼所见 3
0.1.1 地球的空间位置 3
0.1.2 天空中的星座 4
0.1.3 天球 4
0.1.4 天球坐标系 6
0.2 地球的轨道运动 6
0.2.1 每日变化 6
0.2.2 季节变化 7
0.2.3 长期变化 9
0.3 月球的运动 10
0.3.1 月相 10
0.3.2 日食和月食 12
0.4 距离的测量 15
0.5 科学和科学方法 16
0.5.1 理论和模型 16
0.5.2 早期应用 18
0.5.3 今天的宇宙 19
本章回顾 19
小结 19
复习题 20
自测题 20
计算题 20
活动 21
第1章 哥白尼革命：现代科学的诞生 22
1.1 行星的运动 23
1.1.1 天空中的流浪者 23
1.1.2 地心说 23
1.1.3 日心说 26
1.2 现代天文学的诞生 27
1.2.1 伽利略的重要历史观测 27
1.2.2 哥白尼体系的优势 29
1.3 行星运动定律 29
1.3.1 第谷的复杂数据 30
1.3.2 开普勒的简单定律 30
1.3.3 太阳系的大小 32
1.4 牛顿定律 33
1.4.1 运动定律 33
1.4.2 万有引力定律 34
1.4.3 轨道运动 36
1.4.4 开普勒定律的修正 36
1.4.5 科学进步的循环 37
本章回顾 38
小结 38
复习题 38
自测题 38
计算题 39
活动 39
第2章 光和物质：宇宙的内在运行 40
2.1 来自天空的信息 41
2.1.1 光和辐射 42
2.1.2 波动 42
2.2 波在哪里 43
2.2.1 带电粒子间的相互作用 44
2.2.2 电磁性 44
2.3 电磁波谱 45
2.3.1 可见光的组成 45
2.3.2 辐射的完整范围 46
2.4 热辐射 48
2.4.1 黑体光谱 48
2.4.2 辐射定律 48
2.4.3 天文学应用 50
2.5 光谱学 51
2.5.1 发射线 51
2.5.2 吸收线 52
2.5.3 天文学应用 54
2.6 谱线的形成 54
2.6.1 原子结构 54
2.6.2 辐射的粒子本质 55
2.6.3 氢的光谱 56
2.6.4 基尔霍夫定律的解释 57
2.6.5 更复杂的光谱 57
2.7 多普勒效应 58
2.8 谱线分析 60
本章回顾 60
小结 60
复习题 61
自测题 61
计算题 62
活动 62
第3章 望远镜：天文学工具 63
3.1 光学望远镜 64
3.1.1 反射望远镜和折射望远镜 64
3.1.2 反射望远镜的类型 66
3.1.3 探测器和图像处理 69
3.2 望远镜大小 70
3.2.1 集光能力 70
3.2.2 分辨能力 72
3.3 高分辨率天文学 73
3.3.1 大气模糊效应 73
3.3.2 新型望远镜设计 74
3.4 射电天文学 75
3.4.1 射电望远镜简介 75
3.4.2 射电天文学的价值 77
3.4.3 干涉测量学 77
3.5 空基天文学 79
3.5.1 红外和紫外天文学 79
3.5.2 高能天文学 82
3.5.3 全光谱覆盖 83
本章回顾 85
小结 85
复习题 85
自测题 85
计算题 86
活动 86
第2部分 太阳系（行星系）
第4章 太阳系：行星际物质和行星的诞生 90
4.1 太阳系的成员 91
4.1.1 行星的性质 91
4.1.2 类地行星和类木行星 94
4.1.3 太阳系碎片 94
4.2 行星际物质 95
4.2.1 小行星的轨道 95
4.2.2 小行星的性质 96
4.2.3 彗星 99
4.2.4 彗星的轨道 103
4.2.5 流星体 104
4.3 太阳系的形成 107
4.3.1 模型要求 107
4.3.2 星云收缩 108
4.3.3 行星形成 111
4.3.4 类木行星形成 112
4.3.5 太阳系的分化 113
4.3.6 小行星和彗星 114
4.3.7 太阳系的规则性和不规则性 115
4.4 系外行星 115
4.4.1 探测系外行星 115
4.4.2 系外行星的性质 117
4.4.3 系外行星的组成 118
4.4.4 太阳系是否与众不同 120
4.4.5 搜寻系外地球 121
本章回顾 122
小结 122
复习题 122
自测题 123
计算题 123
活动 123
第5章 地球和月球：我们的宇宙后院 125
5.1 概述 126
5.1.1 物理性质 126
5.1.2 整体结构 127
5.2 潮汐 127
5.2.1 引力形变 127
5.2.2 潮汐锁定 129
5.3 大气层 129
5.3.1 地球大气层 129
5.3.2 温室效应 132
5.3.3 月球空气 134
5.4 内部结构 135
5.4.1 地震学 135
5.4.2 地球内部建模 136
5.4.3 分异 137
5.4.4 月球内部 137
5.5 地球表面活动 138
5.5.1 大陆漂移 138
5.5.2 板块驱动力 140
5.5.3 月球板块构造 141
5.6 月球表面 141
5.6.1 大尺度特征 142
5.6.2 陨击 143
5.6.3 月面侵蚀 144
5.7 磁层 145
5.7.1 地球磁层 145
5.7.2 月球磁性 147
5.8 地月系统演化史 147
5.8.1 月球的形成 147
5.8.2 月球的演化 148
本章回顾 149
小结 149
复习题 150
自测题 150
计算题 150
活动 151
第6章 类地行星：对比研究 152
6.1 轨道性质和物理性质 153
6.2 自转速率 154
6.2.1 水星的奇特自转 154
6.2.2 金星和火星 155
6.3 大气层 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 火山活动和陨击 161
6.6 火星表面 163
6.6.1 大尺度地形地貌 164
6.6.2 火星上的火山活动 166
6.6.3 火星上曾经存在水的证据 167
6.6.4 火星上的水现在何处 169
6.6.5 火星着陆器的探测 170
6.7 内部结构和地质历史 174
6.7.1 水星 174
6.7.2 金星 175
6.7.3 火星 175
6.8 大气演化 175
6.8.1 金星的失控温室效应 176
6.8.2 火星的大气演化 177
本章回顾 178
小结 178
复习题 179
自测题 179
计算题 179
活动 180
第7章 类木行星：太阳系中的巨行星 181
7.1 木星和土星的观测 182
7.1.1 从地球上观测 182
7.1.2 航天器探测 183
7.2 天王星和海王星的发现 184
7.3 类木行星的主要性质 187
7.3.1 物理性质 188
7.3.2 自转速率 188
7.4 木星大气层 190
7.4.1 整体外观和组成 190
7.4.2 大气层结构 191
7.4.3 木星上的天气 192
7.5 外层类木行星的大气层 193
7.5.1 土星大气层 193
7.5.2 土星上的天气 194
7.5.3 天王星和海王星的大气层 195
7.5.4 天王星和海王星上的天气 196
7.6 类木行星内部 197
7.6.1 内部结构 198
7.6.2 磁层 199
7.6.3 内部加热 200
本章回顾 202
小结 202
复习题 202
自测题 203
计算题 203
活动 203
第8章 卫星、环和类冥矮行星：巨行星中间的
小天体 205
8.1 木星的伽利略卫星 206
8.1.1 小太阳系 207
8.1.2 木卫一：最活跃的卫星 208
8.1.3 木卫二：液态水锁定在冰中 209
8.1.4 木卫三和木卫四：异卵双生 210
8.2 土星和海王星的大卫星 212
8.2.1 土卫六：拥有大气层的卫星 212
8.2.2 海卫一：从柯伊伯带俘获 215
8.3 类木行星的中卫星 216
8.4 行星环 219
8.4.1 壮观的土星环系统 219
8.4.2 洛希极限 220
8.4.3 土星环的精细结构 221
8.4.4 木星环、天王星环和海王星环 223
8.4.5 行星环的形成 224
8.5 海王星以外 225
8.5.1 冥王星的发现 225
8.5.2 冥王星?冥卫一系统 225
8.5.3 冥王星和冥卫一的近距离观测 226
8.5.4 类冥矮行星和柯伊伯带 227
本章回顾 229
小结 229
复习题 230
自测题 230
计算题 231
活动 231
第3部分 恒 星
第9章 太阳：地球的母恒星 234
9.1 太阳概述 235
9.1.1 整体结构 235
9.1.2 光度 236
9.2 太阳内部 237
9.2.1 太阳结构建模 237
9.2.2 能量传输 239
9.2.3 太阳对流的证据 240
9.3 太阳大气 241
9.3.1 色球 242
9.3.2 过渡区和日冕 242
9.3.3 太阳风 243
9.4 活动太阳 243
9.4.1 太阳黑子 244
9.4.2 太阳磁性 244
9.4.3 太阳活动周期 246
9.4.4 活动区 247
9.4.5 X射线下的太阳 249
9.4.6 不断变化的日冕 250
9.5 太阳中心 250
9.5.1 核聚变 250
9.5.2 质子?质子链 251
9.5.3 太阳中微子的观测 254
本章回顾 255
小结 255
复习题 255
自测题 256
计算题 256
活动 256
第10章 恒星的测量：巨星、矮星和主序 258
10.1 太阳邻域 259
10.1.1 恒星视差 259
10.1.2 太阳的最邻近恒星 260
10.1.3 恒星运动 261
10.2 光度和视亮度 262
10.2.1 另一个平方反比定律 263
10.2.2 星等标 264
10.3 恒星温度 265
10.3.1 颜色和黑体曲线 265
10.3.2 恒星光谱 266
10.3.3 光谱分类 267
10.4 恒星大小 268
10.4.1 直接测量和间接测量 268
10.4.2 巨星和矮星 268
10.5 赫罗图 269
10.5.1 主序 269
10.5.2 白矮星区和红巨星区 271
10.6 宇宙距离尺度的延伸 272
10.6.1 分光视差 272
10.6.2 光度级 273
10.7 恒星质量 274
10.7.1 双星 275
10.7.2 质量测定 276
10.7.3 质量及其他恒星性质 277
本章回顾 279
小结 279
复习题 279
自测题 279
计算题 280
活动 280
第11章 星际物质：银河系中的恒星形成 281
11.1 星际物质 282
11.1.1 气体和尘埃 282
11.1.2 星际物质的密度和组成 284
11.2 恒星形成区 285
11.3 暗尘云 289
11.3.1 可见光的遮蔽 289
11.3.2 21厘米辐射 290
11.3.3 分子气体 291
11.4 类日恒星的形成 292
11.4.1 引力和热量 292
11.4.2 第1阶段：星际云 293
11.4.3 第2阶段和第3阶段：
云碎片收缩 294
11.4.4 第4阶段：原恒星 295
11.4.5 第5阶段：原恒星演化 296
11.4.6 第6阶段和第7阶段：
新生恒星 298
11.5 其他质量的恒星 299
11.5.1 零龄主序 299
11.5.2 失败的恒星 299
11.6 星团 300
11.6.1 星团和星协 301
11.6.2 星团和星云 302
本章回顾 304
小结 304
复习题 304
自测题 305
计算题 305
活动 305
第12章 恒星演化：生长和死亡 307
12.1 离开主序 308
12.1.1 恒星和科学方法 308
12.1.2 结构变化 309
12.2 类日恒星的演化 310
12.2.1 第8阶段和第9阶段：从亚巨星到
红巨星 310
12.2.2 第10阶段：氦聚变 311
12.2.3 第11阶段：再次成为红巨星 312
12.3 小质量恒星的死亡 314
12.3.1 第12阶段：行星状星云 314
12.3.2 致密物质 315
12.3.3 第13阶段：白矮星 316
12.3.4 新星 317
12.4 大质量恒星的演化 319
12.4.1 重元素的形成 319
12.4.2 超巨星的观测 320
12.4.3 演化之路的终点 321
12.5 超新星爆发 322
12.5.1 新星和超新星 322
12.5.2 I型和II型超新星的解释 323
12.5.3 超新星遗迹 324
12.5.4 重元素的形成 327
12.6 星团中的恒星演化观测 327
12.7 恒星演化周期 332
本章回顾 333
小结 333
复习题 334
自测题 334
计算题 334
活动 335
第13章 中子星和黑洞：物质的奇异状态 336
13.1 中子星 337
13.2 脉冲星 338
13.2.1 脉冲星模型 338
13.2.2 中子星和脉冲星 341
13.3 中子星双星 341
13.3.1 X射线源 342
13.3.2 毫秒脉冲星 342
13.3.3 脉冲星行星 343
13.4 γ射线暴 344
13.4.1 距离和光度 345
13.4.2 γ射线暴的成因 346
13.5 黑洞 349
13.5.1 恒星演化的最后阶段 349
13.5.2 逃逸速度 349
13.5.3 事件视界 350
13.6 爱因斯坦的相对论 350
13.6.1 狭义相对论 350
13.6.2 广义相对论 353
13.6.3 弯曲空间和黑洞 355
13.7 黑洞附近的太空旅行 356
13.7.1 引潮力 356
13.7.2 趋近事件视界 357
13.7.3 黑洞深处 358
13.8 黑洞的观测证据 359
13.8.1 双星系统中的黑洞 359
13.8.2 星系中的黑洞 360
本章回顾 361
小结 361
复习题 362
自测题 362
计算题 362
活动 363
第4部分 星系和宇宙
第14章 银河系：太空中的旋涡 366
14.1 银河系概述 367
14.2 银河系的测量 369
14.2.1 恒星计数 369
14.2.2 变星观测 369
14.2.3 新型量天尺 370
14.2.4 银河系的大小和形状 371
14.3 银河系的结构 373
14.3.1 银河系测绘 373
14.3.2 星族 374
14.3.3 轨道运动 374
14.4 银河系的形成 375
14.5 银河系的旋臂 377
14.6 银河系的质量 381
14.6.1 暗物质 381
14.6.2 恒星暗物质的搜寻 382
14.7 银心 383
14.7.1 银河系活动 384
14.7.2 中心黑洞 385
本章回顾 387
小结 387
复习题 388
自测题 388
计算题 388
活动 389
第15章 正常星系和活动星系：宇宙的
基石 390
15.1 哈勃星系分类 391
15.1.1 旋涡星系 392
15.1.2 椭圆星系 393
15.1.3 不规则星系 394
15.1.4 哈勃序列 396
15.2 太空中的星系分布 397
15.2.1 扩展距离尺度 397
15.2.2 星系团 398
15.3 哈勃定律 400
15.3.1 普遍性退行 400
15.3.2 哈勃常数 401
15.3.3 距离阶梯的顶端 402
15.4 活动星系核 403
15.4.1 星系辐射 403
15.4.2 赛弗特星系 405
15.4.3 射电星系 405
15.4.4 类星体 408
15.5 活动星系的中心引擎 410
15.5.1 能量产生 410
15.5.2 能量发射 412
本章回顾 413
小结 413
复习题 414
自测题 414
计算题 415
活动 415
第16章 星系和暗物质：宇宙的大尺度
结构 416
16.1 宇宙中的暗物质 417
16.1.1 星系质量 417
16.1.2 可见物质和暗晕 418
16.1.3 星系团内气体 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 黑洞质量 427
16.4.2 类星体时期 428
16.4.3 活动星系和正常星系 430
16.4.4 活动星系和科学方法 431
16.5 甚大尺度上的宇宙 431
16.5.1 星系团集群 432
16.5.2 红移巡天 432
16.5.3 类星体吸收线 435
16.5.4 类星体海市蜃楼 436
16.5.5 测绘暗物质 437
本章回顾 439
小结 439
复习题 440
自测题 440
计算题 440
活动 441
第17章 宇宙学：大爆炸和宇宙的命运 442
17.1 最大尺度上的宇宙 443
17.2 膨胀宇宙 444
17.2.1 奥伯斯佯谬 444
17.2.2 宇宙的诞生 445
17.2.3 大爆炸的位置 445
17.2.4 宇宙学红移 446
17.3 宇宙动力学和空间几何 447
17.3.1 两种未来 447
17.3.2 宇宙的形状 448
17.4 宇宙的命运 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 宇宙的组成 452
17.4.5 宇宙的年龄 453
17.5 早期宇宙 454
17.5.1 宇宙微波背景 454
17.5.2 宇宙中的辐射 455
17.6 原子核和原子的形成 456
17.6.1 氦的形成 456
17.6.2 核合成和宇宙的组成 457
17.6.3 原子的形成 457
17.7 宇宙暴胀 458
17.7.1 视界问题和平直性问题 458
17.7.2 暴胀时期 459
17.7.3 对宇宙的影响 460
17.8 宇宙中的大尺度结构 461
本章回顾 465
小结 465
复习题 465
自测题 466
计算题 466
活动 467
第18章 宇宙中的生命：人类是否孤单 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 星际起源 472
18.1.4 多样性和文化 473
18.2 太阳系中的生命 474
18.2.1 我们所知道的生命 474
18.2.2 极端环境中的生命 475
18.3 银河系中的智能生命 476
18.3.1 德雷克方程 476
18.3.2 银河系寿命期间恒星形成的
平均速率 476
18.3.3 拥有行星系的恒星比例 477
18.3.4 每个行星系内的宜居行星平均
数量 477
18.3.5 出现生命的宜居行星比例 479
18.3.6 出现智能生命的有生命行星
比例 479
18.3.7 智能生命开发并利用技术的行星
比例 479
18.3.8 技术文明的平均寿命 480
18.4 地外文明探索 480
18.4.1 探访邻居 480
18.4.2 射电搜寻 481
18.4.3 水洞 482
本章回顾 483
小结 483
复习题 484
自测题 484
计算题 484
活动 485
附录A 科学记数法 486
附录B 天文测量 487
附录C 常用数据表 488
附录D 词汇表 491
附录E 复习题答案 509
附录F 自测题和计算题答案 514
附录G 四季星图 517