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出版者:明天出版社

作者:吴大同 审定

出品人:

页数:93

译者:陈乐飞

出版时间:2003-9

价格:23.80元

装帧:

isbn号码:9787533242893

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《天体物理学前沿：星系动力学与宇宙结构形成》 引言 自人类仰望星空以来，对宇宙的探索从未停歇。我们生活在一个由引力主导的宏大结构中，从行星到星系团，宇宙的演化历程记录着物质和能量的深刻变迁。本书旨在深入剖析当代天体物理学中至关重要的两大领域：星系动力学（Galactic Dynamics）与宇宙结构形成（Cosmology and Structure Formation）。我们聚焦于这些复杂系统的理论建模、数值模拟以及基于前沿观测数据的深入分析，力求为读者提供一个全面且深入的理解框架。本书的叙述风格严谨，注重数学物理的推导与物理图像的建立，是面向高年级本科生、研究生及专业研究人员的进阶读物。 第一部分：星系动力学基础与理论 星系动力学是研究星系内部恒星、气体和暗物质如何在引力场中运动的学科。本部分将从牛顿力学和广义相对论的框架出发，构建描述星系运动的基本理论工具。 第一章：引力多体问题与流体力学描述 我们将从经典的 $N$ 体问题出发，探讨如何将离散的恒星运动转化为连续介质的描述。核心内容包括相空间密度函数的演化，即玻尔兹曼方程（Boltzmann Equation）。详细讨论了碰撞项（Collision Term）的简化与应用，重点剖析了朗道碰撞积分（Landau Collision Integral）在星系尺度下的修正与适用性。随后，我们深入探讨流体力学模型，如欧拉方程和粘性流体方程在描述星系气体盘（Gas Disks）运动中的应用，特别是对湍流和磁场影响的初步引入。 第二章：泊松方程与稳态模型 在不考虑时间演化的情况下，寻找星系的势能函数是动力学的基石。本章详细推导泊松方程在球对称和轴对称系统中的应用。重点讲解了金斯定理（Jeans’ Theorem）及其在推导星系密度分布方面的关键作用。我们对经典模型进行了深入分析，包括金斯球（Jeans Sphere）、球形各向同性模型（Isotropic Spherical Models）以及更接近真实星系的椭球模型。此外，对恒星速度弥散（Velocity Dispersion）的观测如何约束势能的细节进行了详尽的数学处理。 第三章：自引力系统的不稳定性分析 星系并非静止的，其动力学行为往往由各种不稳定性驱动。本章的核心在于分析旋转盘状系统（Rotating Disk Systems）的稳定性。详细阐述了盘的线性稳定性分析，包括卷曲不稳定性（Waviness Instability）和螺旋不稳定性（Spiral Instability），并引入了Toomre Q参数作为判断标准，深入探讨了密度波理论（Density Wave Theory）在解释螺旋臂结构中的作用。同时，对三维系统中，如球状星团的核失稳（Core Collapse）现象，也进行了理论上的探讨。 第四章：暗物质与修正引力模型 现代星系动力学离不开暗物质的范畴。本章分析了旋转曲线（Rotation Curves）观测如何强有力地证明了暗物质的存在，并着重讨论了暗物质晕（Dark Matter Halo）的密度廓线模型，如NFW（Navarro-Frenk-White）模型。在理论层面，我们比较了冷暗物质（CDM）模型与修正牛顿动力学（MOND）理论在解释星系尺度观测上的优劣。此外，也引入了半解析方法（Semi-analytic Methods）来模拟暗物质晕的合并历史。 第二部分：宇宙结构形成与大尺度结构 宇宙的演化是一个从均匀、微小的量子涨落到如今宏伟星系和星系团的复杂过程。本部分聚焦于宇宙学背景下的物质聚集机制。 第五章：早期宇宙与线性扰动理论 本章追溯到宇宙大爆炸后的早期阶段，讨论了宇宙微波背景（CMB）所揭示的早期物质密度微扰。我们将线性化弗里德曼方程，推导出物质密度涨落随时间演化的动力学方程。重点分析了重子声学振荡（BAO）的形成及其在早期宇宙中的物理机制。对冷热暗物质的不同行为进行了细致的比较分析。 第六章：引力坍缩与非线性演化 随着宇宙膨胀，物质的微小涨落开始在局部引力作用下坍缩。本章深入探讨了引力坍缩的非线性动力学。引入了“线性透视”（Linear Perturbation Theory）的局限性，并详细介绍了准线性理论（Quasilinear Theory）和后来的高阶修正方法。核心内容是“平坦化”（Flattening）和“尾迹”（Tails）的形成过程。 第七章：晕的形成与星系宿主 星系和星系团被认为是暗物质晕的宿主。本章的核心是研究暗物质晕的合并树（Merger Trees）和生命周期。我们详细考察了斯卡洛-比肖夫（Press-Schechter）公式，用概率论的方法预测了特定质量范围内的晕的丰度。随后，讨论了子结构（Substructure）在晕中的分布，并引入了“吸积”（Accretion）和“潮汐瓦解”（Tidal Disruption）等概念来描述星系在合并过程中的动力学特征。 第八章：星系团与宇宙网 星系并非孤立存在，它们聚集在星系团和更庞大的宇宙网（Cosmic Web）结构中。本章利用数值模拟的结果（如Millennium Simulation和Illustris TNG）来可视化和量化宇宙网的拓扑结构——包括纤维（Filaments）、空洞（Voids）和节点（Nodes，即星系团中心）。分析了星系团的形成和冷却机制，特别是星系团内介质（ICM）的热力学演化，以及宇宙尺度的冯·曼恩定理（Virial Theorem）在星系团稳定性分析中的应用。 结论与展望 本书通过理论推导和模型构建，系统梳理了从单个星系动力学到宇宙大尺度结构形成的物理图像。未来的研究将更多依赖于高精度数值模拟和下一代巡天项目（如Euclid和LSST）提供的海量观测数据。我们期待这些前沿工具能进一步检验和完善我们对引力、暗物质以及宇宙加速膨胀的理解。 附录 附录中提供了相关的数学工具回顾，包括张量分析基础、特殊的正交多项式（如拉盖尔多项式在轴对称势计算中的应用），以及数值积分方法的简要介绍，以帮助读者更深入地掌握核心计算技巧。

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我翻阅了前几章，感觉这本书的叙事逻辑非常连贯和流畅，它似乎有一种神奇的魔力，能将原本让人望而生畏的抽象数学概念，通过一种循序渐进的引导方式，巧妙地融入到读者的思维之中。作者的笔触细腻而富有洞察力，对于每一个核心概念的引入，都不是生硬地抛出定义，而是先从一个更宏大或更基础的背景开始铺垫，让读者自然而然地产生探索的兴趣。这种行文风格让整个学习过程不再是枯燥的知识点堆砌，而更像是一场精心设计的智力探险。很多我过去在其他教材中感到困惑的地方，在这本书里得到了非常清晰和富有启发性的阐述，简直像是有一位顶级大师在旁边亲自为你解惑，极大地提升了我的理解深度和学习效率。

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从学术严谨性的角度来看，这本书几乎达到了教科书的最高标准。每一个引用的结论、每一个推导的步骤，都经过了极度细致的核对，几乎找不到任何可以挑剔的瑕疵。参考文献部分的处理也体现了极高的专业素养，资料的选取既权威又全面，为后续的深入研究提供了坚实的文献支持。更重要的是，书中对数学符号的使用规范化程度极高，一旦引入新的符号系统，作者都会给予明确的定义和上下文的解释，这极大地降低了阅读的歧义性。对于从事严谨学术工作的人来说，一本在基础规范上做到如此无可指摘的书籍，是多么的珍贵和可靠，它提供的理论基础是如此的扎实，让人敢于在此之上构建起自己的研究大厦，无需担心地基的不稳。

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这本书的广博程度实在令人惊叹，它仿佛是一座百科全量的知识宝库，将一个领域内从基础奠基到前沿探索的脉络梳理得井井有条。我随便翻开任何一页，都能看到对某个特定分支或理论的深入剖析，其涵盖的深度和广度都远远超出了我的预期。它不仅仅停留在理论层面，还适当地穿插了历史背景的介绍，以及不同学派之间的思想碰撞与融合，这使得整个学科的图景立体而丰满，不再是孤立的知识点集合。对于希望建立起全面知识体系的研究者而言，这本书无疑是一个绝佳的基石，它提供的参照系和知识框架，能够有效地帮助读者定位自己的研究方向，并随时进行跨领域的知识校验和补充，其参考价值简直是无可估量。

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这本书的排版和设计简直是一场视觉盛宴，装帧精美，纸张的质感也非常好，拿在手里沉甸甸的，就知道里面的内容一定非常扎实。封面设计简洁大气，透露出一种严谨又不失优雅的气质，让人一眼就能感受到这是一本用心制作的学术力作。内页的字体选择和行距都经过精心考量，阅读起来非常舒适，即使是面对那些复杂的公式和晦涩的理论，也能保持一定的专注度。尤其值得称赞的是，书中大量的图表和示意图绘制得极其清晰和精准，很多抽象的概念通过这些图形化展示后，一下子就变得直观易懂了。对于需要长时间阅读和查阅的读者来说，这样的细节关怀简直是福音，看得出作者和出版社在制作过程中倾注了巨大的心血，完全可以作为案头必备的精装参考书来珍藏。

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这本书的阅读体验是一种纯粹的智力享受，它成功地平衡了极端的专业性和必要的通俗性之间的矛盾。虽然内容涉及尖端领域，但作者在组织材料时，始终没有忘记读者的认知起点，尤其在处理那些概念飞跃的关口时，总会设计出巧妙的类比或直观的解释，仿佛一位经验丰富的导师在用最精炼的语言将复杂的真理传授给你。这种行文的艺术性，使得原本可能让人望而却步的题材变得可以接近、可以领悟。它不是那种冷冰冰的公式堆砌，而是充满了思考的活力和发现的乐趣，让人在阅读的过程中不断产生“原来如此！”的顿悟时刻，极大地激发了学习的热情和对知识本身的敬畏之心。

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