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出版者:Springer

作者:Torok, Peter (EDT)/ Kao, Fu-Jen (EDT)

出品人:

页数:455

译者:

出版时间:2007-04-01

价格:GBP 139.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540695639

丛书系列:

图书标签:

• 光学成像
• 显微镜
• 生物医学光学
• 光学技术
• 生物物理学
• 成像技术
• 光学显微镜
• 生物成像
• 光子学
• 光学原理

深入探索宇宙的边界：星系演化、暗物质与引力波天文学 一本面向前沿研究人员和高阶学生的综合性著作，全面梳理了现代宇宙学、高能天体物理学和引力波探测领域的最新进展与核心理论。 本书旨在为读者提供一个宏大而精密的视角，审视我们宇宙的起源、结构形成、驱动机制以及最前沿的探测技术。我们不再仅仅依赖可见光来描绘宇宙的图景，而是将目光投向那些看不见、摸不着，却对宇宙演化起着决定性作用的实体——暗物质、暗能量，以及时空本身的涟漪——引力波。 本书结构严谨，内容涵盖了从基本宇宙学原理到复杂数值模拟的多个维度，力求在保持理论深度的同时，清晰阐述最新的观测证据和理论模型之间的联系。 --- 第一部分：宇宙学基础与大尺度结构（Cosmological Foundations and Large-Scale Structure） 本部分奠定了理解现代宇宙学的理论基石，重点聚焦于宇宙在最大尺度上的分布和演化规律。 第一章：标准宇宙学模型的新视角 本章系统回顾了$Lambda$CDM（Lambda Cold Dark Matter）模型的核心参数及其演化历史。我们不仅会讨论弗里德曼方程在早期宇宙、物质主导期和暗能量主导期的应用，还将深入探讨宇宙微波背景辐射（CMB）作为早期宇宙“快照”的重要性。重点分析了Planck任务和高精度观测如何约束哈勃常数、物质密度参数和宇宙拓扑。同时，我们将讨论$Lambda$CDM模型目前面临的挑战，例如“哈勃张力”问题，并探索替代性或修正性的宇宙学模型，如动态暗能量或修改引力理论（Modified Gravity, MOG）的初步尝试。 第二章：暗物质的粒子性质与分布 暗物质构成了宇宙物质总量的绝大部分，但其本质仍是物理学最大的谜团之一。本章将详尽考察间接和直接探测暗物质的实验方法。理论部分细致剖析了WIMPs（弱相互作用重粒子）、轴子（Axions）以及惰性中微子等主流候选者的理论框架、截面计算与信号特征。在观测方面，本章深入分析了星系晕（Galactic Halos）的密度廓线、子结构形成（Substructure Formation）的预测，以及如何利用星系团的引力透镜效应（Gravitational Lensing）来绘制暗物质的精确分布图。我们还将探讨弱引力透镜（Weak Lensing）技术如何作为探测宇宙网（Cosmic Web）宏观形态的最有效工具。 第三章：大尺度结构的形成与演化 本章将物理学与统计学相结合，探讨了从早期均匀状态到如今星系、星系团和超星系团网络形成的物理过程。关键概念包括：线性功率谱、非线性效应、以及物质在不同尺度上的增长函数。我们将详细阐述种群统计学（Peculiar Velocity Statistics）在揭示暗物质势阱中的物质流动方面的作用。同时，本章引入先进的N体模拟（N-body Simulations）方法，展示了诸如Millennium Run和IllustrisTNG等旗舰项目如何成功复现观测到的宇宙大尺度结构，并以此来检验不同暗物质模型的影响。 --- 第二部分：高能天体物理学与极端环境（High-Energy Astrophysics and Extreme Environments） 这一部分将视野聚焦于宇宙中最具能量释放和物质加速的极端天体物理现象。 第四章：活动星系核（AGN）的辐射机制 活动星系核（AGN）作为超大质量黑洞（SMBH）的活动体现，是宇宙中已知最亮的光源。本章深入研究了不同类型的AGN（如塞弗特星系、类星体、耀变体）的分类、能量辐射的谱线特征。核心内容包括相对论性喷流（Relativistic Jets）的形成、加速机制（如Blandford-Znajek过程）以及其在不同波段的观测特征。我们还将探讨AGN反馈机制如何影响宿主星系的恒星形成历史，这是连接星系形成和宇宙学演化的关键环节。 第五章：星系团的物理与热气体动力学 星系团是宇宙中最大的引力束缚结构。本章重点讨论星系团的质量标定方法，包括X射线辐射（通过高温的弥散气体）和运动学分析。X射线光谱学被用作研究星系团等离子体的温度、金属丰度和湍流的重要工具。此外，我们将探讨星系团内部的复杂过程，例如：星系落入（Galaxy Infall）、星系团内星系（ICG）的演化，以及由中心超大质量黑洞驱动的“反馈加热”（Feedback Heating）对冷却流的抑制作用。 第六章：高能宇宙射线与伽马射线暴 宇宙中最高能量的粒子——宇宙射线（Cosmic Rays）的起源地仍是悬而未决的问题。本章分析了银河系内外宇宙射线传播的机制和对周围介质的影响。对于伽马射线暴（GRBs），我们将其视为宇宙中能量密度最高的事件之一。本章详细解析了GRB的两种主要模型（长暴和短暴），其余辉（Afterglow）辐射的理论预测，以及它们作为极端环境探针的潜力。 --- 第三部分：时空探测与引力波天文学（Spacetime Probing and Gravitational Wave Astronomy） 本部分全面覆盖了利用引力波这一全新“信使”来观测宇宙的新兴领域。 第七章：引力波物理基础与探测原理 本章提供扎实的理论基础，解释了爱因斯坦场方程的扰动解，并推导了引力波的产生机制及其四极矩公式。随后，重点转向地面和空间引力波探测器的设计原理。我们将详细解析激光干涉仪的噪声来源（包括散弹噪声、地面噪声、量子噪声）以及当前探测器（如LIGO/Virgo/KAGRA）的灵敏度曲线和频率响应特性。对脉冲星定时阵列（Pulsar Timing Arrays, PTA）用于探测超低频引力波的原理也将被详细介绍。 第八章：双黑洞与中子星并合的信号分析 引力波天文学的核心是信号提取与参数估计。本章聚焦于最先被探测到的事件类型：双黑洞并合（BBH）和双中子星并合（BNS）。我们将讲解波形建模（Waveform Modeling）的重要性，特别是与数值相对论（Numerical Relativity, NR）模拟的结合，用于精确匹配并合前、并合和合并后的信号。对于BNS并合，本章深入探讨了电磁对应体（Electromagnetic Counterparts）——千新星（Kilonovae）的产生机制，以及如何利用引力波和电磁辐射的联合观测来独立测量哈勃常数（“标准警笛”）。 第九章：引力波作为宇宙学探针 引力波事件提供了一种全新的、不受宇宙尘埃影响的距离测量方法。本章探讨了如何利用BNS事件作为“标准警笛”来校准宇宙距离阶梯。此外，理论部分将探讨未来探测器（如LISA）将如何探测早期宇宙的背景引力波（Stochastic Gravitational Wave Background, SGWB），这可能揭示宇宙暴胀时代甚至普朗克尺度下的物理过程，为检验超弦理论和早期宇宙相变提供了无与伦比的窗口。 --- 本书的每一章都力求提供最前沿的理论框架、最新的观测数据分析方法，并展望下一代实验和望远镜将带来的突破性发现。通过跨越广阔的尺度和能量范围，读者将获得理解宇宙动力学和极端现象的全面工具箱。

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