Chap 2 Patterns in the Sky–Motions of Earth and the Moon
2.1 Earth Spins on Its Axis
想象天空是一个包裹地球的巨大的球体，把所有星星沿着地心方向投影到这个球体上，得到 天球 (celestial sphere)。
地球北极在天球上对应的点是 北天极 (NCP)，南极对应 南天极 (SCP)，赤道对应 天赤道 (celestial equator)，将天球分成南北两半。
和地球的经纬度一样，赤纬 (declination) 和 赤经 (right ascension, RA) 描述了天球上的一个点。赤经的零度从春分点开始算。
黄道 (ecliptic) 是太阳一年在天球的路径。因为地球公转，太阳在天球上的位置并不固定，而是一个圆。其它遥远的星星在天球上的位置基本是固定的。黄道和天赤道有 23.5° 的夹角，这导致四季更替。
天顶 (zenith) 是头顶上方的点。子午线 (meridian) 是南北之间经过天顶的线，将头顶的天空分成东西两半。跨过子午线称为过中天。
地方正午 (local noon) 时，太阳刚好跨过子午线。太阳两次跨过子午线的时间间隔称为一天。
NCP 和地平线的夹角等于纬度。
靠近 NCP 的星星永远不会落下，称为 拱极星 (circumpolar star)。和观测者处于同一半球的星星每天的可见时间大于 12h，在天赤道上的星星每天的可见时间为 12h。
2.2 Revolution about the Sun Leads to Changes during the Year
因为地球绕着太阳公转，每天同一时刻的星空也不一样。
现代，人们将天球分成 88 个 星座 (constellation)。黄道经过 13 个星座，称为 黄道星座 (zodiac)。
因为黄道和天赤道有 23.5° 的夹角，所以当太阳在北天球时，北半球的白天更长，同时阳光入射角更小。此时北半球处于夏季，南半球处于冬季。
当太阳位于北天球的最高点时，称为 夏至 (summer solstice)。六个月后，太阳位于南天球的最高点，称为 冬至 (winter solstice)。从夏至到冬至，太阳穿过天赤道时，称为 秋分 (autumn equinox)。从冬至到夏至，太阳穿过天赤道时，称为 春分 (vernal)。
在夏至，在北半球纬度高于 66.5° 的位置，太阳是拱极星。北纬 66.5° 以上称为 北极圈 (arctic circle)。南纬 66.5° 以上称为 南极圈 (antarctic circle)。南北纬 23.5° 之间称为 热带 (tropics)。
因为地轴的进动，导致春分点在黄道上向西移动，称为 分点岁差 (precession of the equinoxes)。
2.3 The Moon's Appearance Changes as It Orbits Earth
月球绕地球逆时针旋转，旋转一圈的时间是 27.32d，称为月亮的 恒星周期 (sidereal period)。因为地球绕太阳逆时针公转，所以新月和新月之间间隔 29.53d（太阳，地球，月亮的两次朔望之间的间隔），称为月亮的 朔望周期 (synodic period)，也是一个 月 (month) 的定义。
月亮被太阳照亮的部分称为 月相 (phase)。
- 新月 (new moon)：月亮在太阳和地球之间，此时月亮不可见。新月在太阳升起时升起，太阳落下时落下。
- 上蛾眉月 (waxing crescent)：月亮是右月牙。
- 上弦月 (first quarter)：月亮是右半圆。在中午升起，在半夜落下。
- 盈凸月 (waxing gibbous)：月亮是右凸月。
- 满月 (full moon)：月亮完全可见。在日落升起，在日出落下。
- 亏凸月 (wanning gibbous)：月亮是左凸月。
- 下弦月 (third quarter)：月亮是左半圆。在半夜升起，在中午落下。
- 下蛾眉月 (waning crescent)：月亮是左月牙。
月球被地球潮汐锁定。当卫星的自转周期和行星的公转周期相同时，称为 同步自转 (synchronous rotation)。
2.4 Calendars Are Based on the Day, Month, and Year
古代的人们根据太阳，月亮和星空的形状和轨迹计时。
目前的国际日历是 格里高利历 (Gregorian calendar)，基于回归年。
- 一个 回归年 (tropical year) 是两次春分点之间的 365.242 个太阳日。
- 一个 太阳日 (solar day) 是太阳两次经过子午线之间的 24 小时。
- 一个 恒星日 (sideral day) 是其它恒星两次经过子午线之间的 23 小时 56 分钟。
太阳日和恒星日的差距由于地球绕太阳公转导致。太阳日更长由于公转和自转方向一致导致。
2.5 Eclipses Result from the Alignment of Earth, Moon, and the Sun
Chap 3 Motion of Astronomical Bodies
3.1 The Motions of Planets in the Sky
地心说 (geocentric throry) 无法解释行星 逆行 (retrograde motion) 的问题，提出 本轮 (epicycle) 的修正。
哥白尼推广了 日心说 (heliocentric)。
太阳系内行星的 恒星周期 (sideral period) 是它绕太阳公转一圈的时间，朔望周期 (synodic period) 是它两次位于太阳向地球的射线上的时间。
3.2 Kepler's Laws Describe Planetary Motion
开普勒第一定律：行星轨道是椭圆，太阳位于一个焦点。太阳和行星的平均距离等于椭圆的 半长轴 (semimajor axis)。
开普勒第二定律：相同时间内行星与恒星连线扫过的面积相等。
开普勒第三定律：行星的恒星周期的平方正比于半长轴的立方。
3.3 Galileo's Observations Supported the Heliocentric Model
伽利略发现金星的盈亏，彻底证明了日心说。
3.4 Newton's Three Laws Help to Explain the Motion of Celestial Bodies
牛顿第一定律：物体在不受外力作用下保持静止或匀速直线运动。
牛顿第二定律：\(F = ma\)。
牛顿第三定律：相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。
Chap 4 Gravity and Orbits
4.1 Gravity Is a Force between Any Two Objects Due to Their Masses
引力 (gravity) 是具有质量的物体之间的相互吸引力。
物体受到行星的引力称为 重量 (weight)。\(F_{weight} = mg\)。
万有引力定律：\(F = G\frac {m_1m_2}{r ^ 2}\)。
4.2 An Orbit Is One Body "Falling around" Another
轨道 (orbit) 是一个物体向另一个物体自由落体形成的路径。
向心力 (centripetal force) 支持着 匀速圆周运动 (uniform circular motion)。
环绕速度 (circular velocity) 是物体绕另一个物体做圆周运动的速度。\(v_{circ} = \sqrt {\frac {GM} r}\)。
当较轻物体绕较重物体做圆周运动时，称较轻物体是较重物体的 卫星 (satellite)。
使得物体完全逃脱另一个物体引力范围的最低速度称为 逃逸速度 (escape velocity)。\(v_{esc} = \sqrt {\frac {2GM} r}\)。
Chap 5 Light
根据天体发出、吸收或反射的光，计算温度（黑体辐射），组成（光谱分析）和速度（多普勒效应）。
5.1 Light Brings Us the News of the Universe
波长等于速度除以频率。\(\lambda = \frac {c} {f}\)。
电磁波谱 (electromagnetic spectrum) 是不同波长的电磁波的集合。可见光的波长在 380nm 到 750nm 之间。X 光的波长在 00.1nm 到 10nm 之间。
能量等于普朗克常数乘以频率。\(E = hf\)。
一束光的能量总和称为 光强 (intensity)。
5.2 The Quantum View of Matter Explains Spectral Lines
原子最低的能级称为 基态 (ground state)，高于基态的能级称为 激发态 (excited state)。
频率由能量唯一确定，所以原子的能级跃迁产生 发射光谱 (emission spectra) 和 吸收光谱 (absorb spectra)。
5.3 The Doppler Shift Indicates Motion Toward or Away from Us
多普勒效应 (Doppler effect)：观测者接受到的光波长受到辐射源的 径向速度 (radical velocity) 的影响。当辐射源靠近观测者时，波长相对于 静止波长 (rest wavelength) 减小，称为 蓝移 (blue shift)。反之称为 红移 (red shift)。
\[v_r = \frac {\lambda_{obs} - \lambda_{rest}} {\lambda_{rest}} \times c \]5.4 Temperature Affects the Spectrum of Light That an Object Emits
温度 (temperature) 是物体分子动能的宏观表现。
只因温度而产生辐射的理想物体称为 黑体 (blackbody)。
光度 (luminosity) \(L\) 是一个物体单位时间辐射总量，单位是瓦特。
流强 (flux) \(\mathcal F\) 是一个物体单位时间单位面积的辐射量，单位是瓦特每平方米。\(L = A\mathcal F\)。
斯特藩-玻尔兹曼定律 (Stefan-Boltzmann law)：\(\mathcal F = \sigma T ^ 4\)，其中 \(\sigma = 5.67\times 10 ^ {-8}\mathrm{W / (m^ 2K ^ 4)}\) 是斯特藩-玻尔兹曼常数。
维恩位移定律：黑体谱的峰值反比于表面温度。\(\lambda_{peak} = \frac {2.9\times 10 ^ 6 \mathrm{nm\cdot K}} {T}\)。
根据维恩位移定律求出表面温度，再根据斯特藩-玻尔兹曼定律
5.5 The Brightness of Light Depends on the Luminosity and Distance of the Source
天体的观测 亮度 (brightness)：观测仪器单位时间在单位面积接收到的辐射量。亮度等于 \(\frac {L} {4\pi d ^ 2}\)。
Chap 6 The Tools of the Astronomer
6.1 The Optical Telescope Revolutionized Astronomy
望远镜分为 折射式 (refracting) 和 反射式 (reflecting)。最大的透镜或镜子的直径称为 口径 (aperture)，它决定了收集光的面积。
折射式望远镜因为 色散 (dispersion) 而产生 色差 (chromatic aberration)。
光的 衍射 (diffraction) 限制了望远镜的角分辨率。理论衍射极限 \(\theta = 2.06\times 10 ^ 5\frac {\lambda} D\, \mathrm{arcsec}\)。
大气活动限制了望远镜的角分辨率。对应限制称为 星像视宁度 (astronomical seeing)。
6.2 Optical Detectors and Instruments Used with Telescopes
曝光时间 (integration time) 和 量子效率 (quantum efficiency) 决定了肉眼的观测效率。
电荷耦合器件 (charge-coupled device, CCD) 延长曝光时间并提高量子效率，极大帮助了天文观测的发展。
研究物体的光谱称为 光谱学 (spectroscopy)。摄谱仪 (spectrograph) 可以记录物体的光谱。
6.3 Astronomers Observe in Wavelengths Beyond the Visible
大气阻挡了伽马射线，X 光，紫外线和大部分红外线。
因为射电望远镜的观测波长太长，所以角分辨率很低。将两个射电望远镜放在距离较远的位置形成 射电干涉仪 (interferometer)，进一步形成 射电干涉仪阵列 (interferometric array)。
空间望远镜的最大缺陷是价格昂贵。
6.4 Planetary Spacecraft Explore the Solar System
探索太阳系的宇宙飞船：飞跃器 (flyby)，轨道器 (orbiter)，登陆器 (lander)，漫游器 (rover)，大气探测器 (atmospheric probe)，返回器。
6.5 Other Tools Contribute to the Study of the Universe
宇宙射线，粒子加速器，中微子，引力波，计算机模拟。
Chap 7 The Birth and Evolution of Planetary Systems
7.1 Planetary Systems Form around a Star
围绕恒星的天体集合称为 行星系 (planetary system)。
太阳系起源的 星云假说 (nebula hypothesis)。
7.2 The Solar System Began with a Disk
原行星盘 (protoplanetary disk) 围绕 原恒星 (protostar) 旋转，形成这样结构的关键是角动量守恒。由于星际活动，星云有轻微自转。满足一定物理条件的星云在自身引力的作用下坍缩，自转的惯性离心力减弱了垂直于自转轴的坍缩，所以形成一个盘状物而不是球状物。
按照角动量守恒，太阳应该每 0.6 秒旋转一圈，但大部分角动量被行星吸收，例如木星的角动量是太阳的 17 倍。均匀球体的自旋角动量 \(L_{spin} = \frac {4\pi mR ^ 2} {5P}\)，其中 \(P\) 是旋转周期。
行星的形成：气体的随机运动和静电吸附形成尘埃颗粒，通过轻微碰撞成长，最后质量足够大而通过引力吸引附近物体。
7.3 The Inner Disk and Outer Disk Formed at Different Temperatures
落在内盘的物质释放了更多引力势能，所以更热。吸积盘的温度决定了所形成物体的性质。
海王星和天王星可能发生了 行星迁移 (planet migration)，木星和土星的引力导致天王星和海王星外移到目前的位置。
强大的引力使得大质量的年轻固态行星在其周围吸引形成微型吸积盘，这解释了卫星的形成。
行星形成时从原行星盘中所获得的气体称为 原始大气 (primary atmosphere)。小质量行星所吸积的少量的原始大气逃逸。今天像地球这样的行星的大气称为 次生大气 (secondary atmosphere)，主要受到火山和彗星的影响。
7.4 The Formation of Our Solar System
在 5AU 范围内形成了 类地行星 (terrestrial planet)。目前金星、地球和火星的大气是次生大气，水星距离太阳太近，月球太小，没有大气。
在 5AU 范围外形成了巨行星。
小行星和彗星核是存活到今天的星子，几乎保持太阳系刚形成时的状态。
矮行星是没有清空其轨道的星子。
Chap 13 Taking the Measure of Stars
13.1 Astronomers Measure the Distance, Brightness, and Luminosity of Stars
相隔半年时间内，恒星视位置变化的角大小的一半称为恒星的 视差 (parallax)。一角秒对应的距离为一 秒差距 (parsec, pc)。1pc = 206000AU，约为 3.26 光年。
因为距离非常远，所以可近似认为视差和距离成反比。
恒星的视亮度用 视星等 (apparent magnitude) 表示，由古希腊天文学家喜帕恰斯提出。每相差五个星等，亮度相差 100 倍，因此一个星等的亮度差约为 2.512 倍。
若已知视亮度和距离，可通过 \(L = 4\pi d ^ 2 B\) 计算光度。光度用 绝对星等 (absolute magnitude) 表示，即放在 10 秒差距的视星等。太阳的光度记为 \(L_\odot\)。
13.2 Astronomers Can Determine the Temperature, Size, and Composition of Stars
实际通常用两个窄波段亮度的比值测量恒星的表面温度。如蓝色 440nm 和黄绿 550nm。不同波段视星等的差称为 色指数 (color index)。表面温度越高，恒星越蓝，B-V 越小。
恒星由表面温度从高到低分为 O、B、A、F、G、K、M 七类，每大类再分成 10 小类。太阳是 G2 恒星。
谱线推测化学成分：不同的吸收线表示原子种类，不同的吸收线强度表示原子丰度。温度更低的恒星有更多原子，所以谱线也更复杂。恒星大部分由氢和氦组成，其余元素称为 重元素 (heavy element)。
使用距离和亮度测出光度 \(L\)，使用维恩定律 \(L = \frac {2900} {\lambda_{peak}}\) 确定表面温度，使用斯-玻定律 \(L = 4\pi R ^ 2\sigma T ^ 4\) 计算半径。
13.3 Measuring the Masses of Stars in Binary Systems
质量的测量往往考虑引力的作用。双星围绕其 质心 (center of mass) 的轨道运动提供了测量恒星质量的机会。
恒星的轨道周长和运动速率与其质量成反比，所以 \(v_1m_1 = v_2m_2\)。通过多普勒效应测量速度比值。
通过开普勒第三定律确定双星系统的总质量：\(P ^ 2 = \frac {4\pi ^ 2A ^ 3} {G(m_1 + m_2)}\)。需要测量轨道周期和轨道半长轴之和。
13.4 The Hertzsprung-Russell Diagram Is the Key to Understanding Stars
赫罗图 (H-R diagram) 的横坐标是表面温度，纵坐标是光度。
约 90% 的恒星落在左上到右下的 主序带 (main sequence) 上，称为 主序星 (main sequence star)。
主序星在赫罗图上的位置由表面温度唯一确定，可作为测量距离的标准烛光，称为 分光视差法 (spectroscopic parallax)。表面温度已知的主序星，可以确定其光度，再根据视亮度和平方反比定律得到距离。由恒星视差得到近邻主序恒星的（距离）光度与其表面温度的关系是此方法的基础。
MS 星的 质-光关系 (mass-luminosity relationship)：\(L\propto M ^ {3.5}\)。
非主序星的鉴别方法：光度或光谱。谱线宽度表征恒星大气的压力，越大的恒星大气越稀疏。谱线宽度等效于 光度级 (luminosity class)，表示落在某个光谱型的恒星的相对大小。完整的光谱分类包括光谱型和光度级，太阳的光谱型为 G2V。
Chap 14 Our Star-The Sun
14.1 The Sun Is Powered by Nuclear Fusion
太阳内部的压力和外部的引力保持 流体静力平衡 (hydrostatic equilibrium)。
太阳内部的能量来源于核聚变，主要是氢聚变为氦的 质子-质子链 (proton-proton chain)。因为四个质子的质量是氦原子核的 1.007 倍，所以能量的转换效率为 0.7%。
第一步：\({^1H} + {^1H} = {^2H} + e ^ + + \nu\)，然后 \(e ^ + + e ^ - = \gamma + \gamma\)。
14.2 Energy Is Transferred from the Interior of the Sun
太阳内部的能量传输方式：
- 辐射：以光子形式把能量从高温区向低温区转移。
- 对流：热量堆积形成热气体泡，产生对流运动，在太阳表面形成日面米粒组织，导致太阳表面不同位置的温度有显著差别。
通过观测中微子建立太阳内部的结构模型。
日震学 (helioseismology)：利用多普勒效应，通过观测太阳光球层的震荡研究太阳内部结构。
14.3 The Atmosphere of the Sun
太阳大气自下而上由 光球层 (photosphere)，色球层 (chromosphere) 和 日冕 (corona) 组成。
太阳圆盘的亮度由中心向边缘减弱，称为 临边昏暗 (limb darkening)。
光球层的有效温度是 5780K [6600K - 4400K]。
色球层以发射线为主，特别是 Hα 线的深红色。
日冕温度非常高，是强烈的 X-射线源高度电离。
14.4 The Atmosphere of the Sun Is Very Active
太阳表面的暗斑称为 太阳黑子 (sunspot)。
Chap 15 The Interstellar Medium and Star Formation
Chap 16 Evolution of Low-Mass Stars
16.1 The Life of a Main-Sequence Star Depends on Its Mass
随着恒星的质量增加，恒星的光度增加更剧烈，所以恒星质量越大，寿命越短。由质-光关系 \(L\propto M ^ {3.5}\) 可知寿命和 \(M ^ {2.5}\) 成反比。
16.2 The Star Leaves the Main Sequence
氦在低质量恒星的核心无法聚变，不断积累。当恒星核心的氢烧光，它就离开了主序带。
因为核心不再聚变，没有能量产生，所以氦核不断坍缩，密度增加。当密度达到 1t 每立方厘米时，氦核变成 电子简并态 (electron-degenerate)。电子简并的物质质量越大，大小越小。电子简并压阻止氦核继续坍缩。
氦核周围的氢继续燃烧，称为 氢壳层燃烧 (hydrogen shell burning)。因为核心温度增加，燃烧更加剧烈，恒星膨胀，光度增加，但表面温度下降。此时的恒星称为 亚巨星 (subgiant)，在赫罗图上向右上方移动，路径称为 亚巨星支 (subgiant branch)。
当表面温度下降约 1000K 时，负氢离子形成，阻止恒星表面温度进一步下降。此时的恒星称为 红巨星[支] (red giant)，在赫罗图上垂直向上移动，路径称为 红巨星支 (red giant branch)。
16.3 Helium Burns in the Degenerate Core
当温度达到一亿 K，氦核开始燃烧。燃烧过程为 3α：三个氦原子聚变形成一个碳原子。
电子简并物质导热能力很强，所以当简并氦核开始燃烧时，整个过程是失控的：简并氦核的温度和燃烧速率形成正反馈。最终热压大于简并压，氦核内爆，称为 氦闪 (helium flash)。氦闪产生的能量用于抵抗恒星引力和膨胀的氦核，所以在恒星外部难以观测到。
氦闪后氦核变大且不再简并，所以引力变小，压力变小，光度变小。恒星进入新的稳定态，称为 水平支 (horizontal branch) 恒星。HB 恒星和 MS 恒星很像，一个燃烧氦，一个燃烧氢，但前者燃烧时间短得多，且有氢壳层燃烧。
16.4 Dying Stars Shed Their Outer Layers
当氦核的氦烧光，碳核坍缩并电子简并，进入 渐近巨星分支 (ansymptotic gaint brach)。
在碳核能够燃烧之前，所释放的辐射压力大于恒星外层的引力，恒星开始失去外壳，称为 恒星质量流失 (stellar-mass loss)。恒星的质量损失是失控的：外层物质损失与引力加速度减弱互相促进。
当恒星完全失去外壳后，剩余的氢和氦继续燃烧成碳，称为 后 AGB 星 (post-AGB star)。恒星的表面温度急剧升高，释放高能紫外线，将抛出的气体电离，形成 行星状星云 (planetary nebula)。
后 AGB 星最终用光所有燃料，形成电子简并的碳球，称为 白矮星 (white dwarf)。不同质量的低质量恒星形成的白矮星的组成也是不一样的。
16.5 Binary Star Evolution
一个恒星的引力范围称为 洛希瓣 (Roche lobe)。
对于双星系统，当一个恒星在后主序过程演化并膨胀至超出洛希瓣时，其物质开始向另一颗恒星转移。较大质量恒星不会超过洛希瓣的范围，所以不会变成 AGB 星。其氦核继续燃烧，最终演化为白矮星。
当第二颗恒星演化至红巨星时，其物质转移到该白矮星上，造成压力增加，直到足够的压力使得氢开始燃烧，产生剧烈的爆炸。正在爆炸的白矮星称为 新星 (nova)。爆炸并不会炸毁白矮星，随着物质不断流入，这种爆炸会周期性地发生。一颗新星被多次观测到，称为 再发新星 (recurrent nova)。
白矮星的质量上限为 1.38 倍的太阳质量，称为 钱德拉塞卡极限 (Chandrasekhar limit)。超过极限的白矮星的自引力大于电子简并压，会继续坍缩。在将要达到钱德拉塞卡极限时，碳核开始燃烧，点燃整个白矮星，产生 Ia 型超新星 (type Ia supernova)，即热核爆炸超新星，这将炸毁整个白矮星。
另一种可能性是两个白矮星相互环绕，最终形成 Ia 型超新星。
超新星爆发形成 超新星遗迹 (supernova remnant)，是强烈电辐射和高能辐射源。
Chap 17 Evolution of High-Mass Stars
17.1 High-Mass Stars Follow Their Own Path
大质量恒星的氢的燃烧过程除了质子-质子链以外，还有 碳氮氧循环 (CNO cycle)。作为催化剂的 C12 促进了氢的燃烧。
即使是在主序阶段，极大的辐射压使得大质量恒星会损失大量质量。
因为大质量恒星的内核温度梯度较大，所以热对流使得氦在内核均匀分布。
在核心的氢烧光之前，温度就足以使得氦开始燃烧，所以大质量恒星会平缓地、几乎水平地离开主序带，变成 红超巨星 (red supergiant)。
在核心的氦烧光之后，碳核坍缩，温度增加使得碳开始燃烧。碳燃烧成钠，氖和镁；氖燃烧成氧和镁；氧燃烧成硫和硅；硫和硅燃烧成铁。
对于中等质量的恒星，它们离开主序的方式和大质量恒星一样（氦燃烧的平稳过渡，无氦闪），但它们没有足够高的温度让碳核燃烧，之后它们会像小质量恒星一样演化（AGB 星）。
主序后，恒星在赫罗图上可能多次通过 不稳定带 (instability strip)，周期性地膨胀与收缩，引起其光度和颜色（表面温度）相应改变，这样的变星称为 脉动变星 (pulsating variable star)。脉动的机制是恒星内 He 的电离与复合。
I 型 造父变星 (Cepheid variable) 是非常明亮的黄超巨星，脉动周期在 1-100 天之间变化。造父变星满足 周光关系 (period-luminosity relationship)，恒星光度越高，脉动周期越长，可以作为标准烛光。
通过不稳定带的小质量水平支可能是 II 型造父变星或天琴 RR 型变星（周期小于一天）。
17.2 High-Mass Stars Go Out with a Bang
碳之后的元素燃烧生成大量中微子，能量流失非常快，需要很高的燃烧速度。
因为铁的比结合能最大，所以核聚变会在铁停止。过大的质量使得电子简并压无法抵抗，炽热的温度导致铁核内的伽马射线将铁原子核 光致离解 (photodisintegration) 为氦原子核，同时电子和质子形成中子和中微子，吸收大量热能，于是铁核以极快的速度坍缩直到被中子简并压阻挡。外核以极快的速度猛烈撞击内核并反弹，产生剧烈爆炸，大约五分之一的质量变成中微子。
反弹激波很快到达并加热恒星表面，以十分之一光速猛烈抛射外层物质，形成 II 型超新星 (type II supernova)。
17.3 The Spectacle and Legacy of Supernovae
在超新星爆发的过程中，生成了大量比铁重的元素。
II 型超新星会留下一颗 中子简并 (neutron-degenerate) 的 中子星 (neutron star)。中子星的密度极高，表面逃逸速度极大。一颗典型中子星的逃逸速度约为 0.6c。
当高度演化的恒星和一颗中子星（或黑洞）组成双星系统时，大量物质在中子星周围形成吸积盘。根据角动量守恒，中子星的自转速度极快，产生极强的磁场，带电粒子沿着磁极方向产生辐射束。因为磁轴和旋转轴一般不重合，所以辐射束会来回扫荡，扫过地球方向时产生脉冲，脉冲周期为自转周期（宇宙灯塔）。这种旋转的中子星称为 脉冲星 (pulsar)。
17.4 Star Clusters Are Snapshots of Stellar Evolution
星团有 球状星团 (globular cluster) 和 疏散星团 (open cluster) 两种。球状星团比疏散星团老得多。
可以通过质量最大的仍处于主序带上的恒星确定星团的年龄，其在赫罗图上的位置称为 主序结束点 (main-sequence turnoff)。
Chap 18 Relativity and Black Holes
Chap 19 Galaxies
19.1 Galaxies Come in Different Shapes and Sizes
1784 年，梅西耶发表了包含 103 个星云状物的梅西耶星表。后来赫歇尔发表星云和星团新总表 (New General Catalogue)
星云本质的确定需要知道银河系的大小和星云的距离。
1920 年代，沙普利通过天琴 RR 变星估算银河系的大小约为 30w 光年。
1923 年，哈勃通过造父变星测出 M31 仙女大星云的距离远大于银河系的尺度。
1930 年代，哈勃根据可见光图像的形状，将星系分为以下若干类：
- 椭圆 (elliptical, E) 星系：编号 E0 到 E7，由圆到椭。颜色偏红，主要由小质量年老恒星组成。
- 旋涡 (spiral, S) 星系：编号 Sa 到 Sc，核球大小递减，颜色更蓝，旋臂更不连续。中心是核球，被扁平的星系盘环绕，有暗弱的星系晕。颜色偏蓝，旋臂富含冷气体和尘埃。
- 棒旋 (barred spiral, SB) 星系：编号 SBa 到 SBc，棒大小递减。
- 透镜状星系：介于椭圆星系和旋涡星系，根据核心是否有棒状结构编号 SB0 和 S0。
- 不规则 (irregular, irr) 星系：无旋臂，无中心核区，无对称性。
星系的形态是由恒星运动决定的。
19.2 Astronomers Use Several Methods to Find Distances to Galaxies
距离阶梯 (distance ladder)：测量距离的每一种方法建立在前一种方法基础之上。测量出 AU 就可以使用视差和分光视差，从而确定标准烛光（造父变星，Ia 型超新星），测量更远的距离。
哈勃定律：距离越远的星系退行越快。每 Mpc 增加的退行速度为 哈勃常数 (Hubble constant) \(H_0 = 70\operatorname{km/s/Mpc}\)。则 \(v_r = H_0 \times d_G\)，其中 \(v_r\) 是退行速度。
19.3 Galaxies Are Mostly Dark Matter
所有恒星，星际气体和尘埃称为 亮物质 (luminous matter)，因为它们辐射电磁波。
旋涡星系自转曲线（自转速率关于到星系中心的距离）给出了星系的质量分布，发现和亮物质的实际质量分布有很大区别。束缚椭圆星系热气体的总引力质量远大于亮物质质量。
不辐射，仅靠引力表明自身存在的物质称为 暗物质 (dark matter)。可见星系盘外是 暗物质晕，占星系总质量的约 90%。
目前对于暗物质还没有确定的说法。一些猜想有 MACHOs 和 WIMPs。MACHOs 因为观测到的微引力透镜数量太少而不可能占据所有暗物质质量。
19.4 Most Galaxies Have a Supermassive Black Hole at the Center
1963 年，施密特拍摄致密亮射电源 3C273 的光谱，发现是当时所看到的距离最远且光度最高的天体，称之为 类星体 (quasar)。
类星体是一类 活动星系核 (active galactic nuclei, AGN)。
中心含有 AGN 的旋涡星系称为 赛弗特星系 (Seyfert galaxy)，椭圆星系称为 射电星系 (radio galaxy)。
AGN 的特征：
- 高光度。
- 快速光变：能量来自于太阳系大小的范围。
- 辐射波段广。
- 同步辐射主导，高偏振。
- 强而宽的发射线。
- 具有喷流或射电瓣。
AGN 的能量来自于吸积周围物质。能量转换效率可以达到惊人的 15%。
爱丁顿极限：稳定吸积天体的最大光度 \(L_{edd} = 1.3\times 10 ^ {38} (M / M_\odot) \operatorname{erg} \cdot \operatorname{s} ^ {-1}\)。因此吸积黑洞的质量 \(M\geq 10 ^ 7 (L_{obs} / (10 ^ {45} \operatorname{erg} \cdot \operatorname{s}^ {-1})) M_\odot\)（为什么是大于等于？？）。超大质量黑洞的密度很小。
AGN 的发射线来自宽线区和窄线区，气体的运动导致发射线多普勒展宽，周围有尘埃环。观测现象取决于观测角度。当吸积盘正对观测者时，观测到的光子能量升高，光度放大，称为 耀变体 (blazar)，此时喷流的相对论聚束辐射主导观测特征。
视超光速运动：当抛射物的运动方向接近于观测者的视线方向，且运动速度 \(v = \beta c\) 接近于光速时，其视横向速度为
\[v_{\perp} = \frac {\beta c\sin \phi} {1 - \beta \cos \phi} \]物体朝观测者快速靠近，使得发出的光到达地球的时间变短。
在活动星系核和大部分正常星系的核心都存在超大质量黑洞。
Chap 20 The Milky Way-A Normal Spiral Galaxy
20.1 Astronomers Have Measured the Size and Structure of the Milky Way
银河系是 SBb(c) 型棒旋星系。
对中性氢的 21cm 射电辐射的观察给出了星系的旋涡结构。可见光下对电离氢的观测给出了两个旋臂。空间红外观测给出了中心中等大小的核球和棒。
银盘直径约 30kpc，银晕约 90kpc（球状星团的天琴 RR 变星），太阳距离银心约 8.3kpc。
20.2 The Components of the Milky Way Provide Clues about the Formation of Spiral Galaxies
银河系内有三类恒星：
- 盘族恒星：环绕银心转动。恒星持续形成，恒星年轻，重元素丰度高。
- 晕族恒星：轨道类似椭圆星系中的恒星。恒星停止形成，恒星年老，重元素丰度低。
- 棒族恒星：长短轨道。
年轻恒星（疏散星团）的重元素丰度一般高于年老恒星（球状星团）。最年老的疏散星团比最年轻的球状星团年轻几十亿年。
质量小于 0.8 倍太阳质量的盘族恒星依然是主序星，但其中没有发现重元素特别低的。这说明形成银盘的气体之前已经经过显著的恒星形成。
银盘的薄盘由年轻恒星构成，厚 0.3kpc。厚盘由年老恒星组成，厚 3.7kpc。
银晕的内晕半径 ~15kpc，外晕半径 ~45kpc，热气体云半径 ~90kpc。
20.3 Most of the Milky Way Is Unseen
通过 21cm 中性氢辐射的多普勒效应计算银河系的自转曲线（较平缓），和观测到的亮物质质量比较，表明银河系存在大量暗物质。
较差自转说明旋臂会消失，旋臂大量存在表明星系盘存在旋臂模式的密度波：旋臂是物质聚集并被压缩形成恒星的场所，是少量的年轻的大质量、高光度、炽热恒星聚集的表现。
距离银心 0.1ly 内的恒星轨道符合开普勒定律，由此计算银河系中心的黑洞质量。
20.4 The History and Future of the Milky Way
星系群 (galaxy group) 是由数十个星系组成的引力束缚的星系群体。银河系所在的星系群称为 本星系群 (local group)。
- 仙女座大星系 M31：本星系群质量最大的星系，距离 ~770kpc，直径 ~60kpc，SBb 型棒旋星系。
- 大、小麦哲伦云：LMC 距离 50kpc，直径 10kpc；SMC 距离 60kpc，直径 6kpc。
- 三角座星系：距离 ~720kpc，直径 ~18kpc，Sc 型旋涡星系。
- 矮星系含更大比例的暗物质和重元素丰度极低的恒星。
过去：巨大暗物质团块中的气体坍缩成许多小的原星系的同时形成了银河系。一部分原星系并合成巨型棒旋星系，其它原星系留存至今，成为银河系（和仙女星系）的卫星矮星系。
未来：人马座矮星系等卫星星系穿过银盘，形成恒星潮尾，与银河系次并合（不破坏银盘和旋臂）。仙女星系以 110km/s 的速度靠近银河系。40 亿年后银河系和仙女星系首次穿过，再过 20 亿年并合为巨椭圆星系（主并合）。
Chap 21 The Expanding Universe
21.1 The Cosmological Principle
宇宙学原理 (cosmological principle)：同样的物理定律适用于宇宙不同的地方。宇宙是 均匀 (homogeneous) 且 各向同性 (isotropic) 的。
由宇宙膨胀引起的红移称为 宇宙学红移 (cosmological redshift)。
回溯时间 (look-back time) 是天体所发出的光到达地球所经历的时间。由于宇宙膨胀，当前距离大于光速乘以时间。
21.2 The Universe Began in the Big Bang
哈勃定律表明星系远离的时间相同，称为 哈勃时间 (Hubble time)。哈勃时间为 \(1 / H_0 = 13.8\times 10 ^ {10}\operatorname{yr}\)。由此提出 宇宙大爆炸 (Big Bang)。
21.3 Expansion Is Described with a Scale Factor
尺度因子 \(R_u\) 表示宇宙相对于现在的大小。尺度因子为 \(R_u\) 时发出的光线的红移
\[z = \frac {v_r} {c} = \frac {\lambda_{obs} - \lambda_{rest}}{\lambda_{rest}} = \frac {1} {R_u} - 1 \implies R_u = \frac {1} {1 + z} \]当 \(v_r\) 接近 \(c\) 时，需要考虑相对论效应。
21.4 Astronomers Observe Cosmic Microwave Background Radiation
早期宇宙留下的辐射称为 宇宙微波背景辐射 (cosmic microwave background radiation, CMB)。它是 2.73K 的普朗克黑体谱。
宇宙在 ~38 万年时 复合 (recombination)，温度 ~3000K。相对于复合时期的宇宙
标签：星系,称为,恒星,导论,笔记,太阳,天文学,质量,光度 From： https://www.cnblogs.com/alex-wei/p/18628499/introduction_to_astronomy