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机械制造技术，ISBN：9787111081913，作者：任家隆主编
深入探索宇宙奥秘：当代天体物理学前沿 作者： 艾萨克·哈特曼 (Isaac Hartmann) 出版社： 环宇科学出版社 出版日期： 2023年11月 --- 内容简介 《深入探索宇宙奥秘：当代天体物理学前沿》并非一本基础入门读物，它是一部面向具有一定物理学和数学基础的读者，旨在全面、深入剖析当前天体物理学研究最活跃、最前沿领域的权威性专著。本书聚焦于二十一世纪以来，随着观测技术（如詹姆斯·韦伯太空望远镜、引力波探测器LIGO/Virgo）和计算模拟能力的飞跃，我们对宇宙理解发生的范式转变。 全书共分为七个核心部分，内容涵盖从宏观宇宙学结构到微观粒子物理在极端天体中的体现，力求构建一个连贯而深入的知识体系。 --- 第一部分：宇宙学新纪元：暗物质与暗能量的精确测量 本部分着重探讨标准宇宙学模型 $Lambda$CDM 中最令人困惑的两个核心组成部分：暗物质与暗能量。 1.1 暗物质的形态与探测 我们不再满足于仅仅通过引力效应推断暗物质的存在。本章详细介绍了直接探测（如氙气和氩气实验的最新进展）、间接探测（对湮灭信号的搜寻，重点分析费米伽马射线望远镜和AMS-02的数据）的最新瓶颈与突破。特别地，本书深入探讨了“温和相互作用重粒子”（WIMPs）模型的失效，转而详细分析了轴子（Axions）和“弱相互作用大质量粒子”（WIMPs）等更精细模型的物理机制，并结合星系动力学模拟（如FIRE和IllustrisTNG项目的结果），对比不同暗物质分布模型与实际观测到的矮星系卫星分布之间的矛盾与协调。 1.2 暗能量的性质与演化 本书对暗能量的研究超越了简单的宇宙学常数（$Lambda$）。我们审视了基于斯隆数字巡天（SDSS）、暗能量巡天（DESI）和欧几里得任务（Euclid Mission）的最新数据，对标量张量引力理论（Scalar-Tensor Theories）如狄拉克-布兰斯-狄克（DGP）模型的检验。重点章节分析了“联合会验”（Joint Analysis），如何利用重子声学振荡（BAO）和超新星Ia型数据来约束暗能量的演化参数 $w(z)$，并讨论了当前数据如何暗示着 $w$ 可能偏离 $-1$ 的趋势，以及这对未来宇宙命运的深远影响。 --- 第二部分：极端天体物理：黑洞与中子星的并合前沿 引力波天文学的兴起彻底改变了我们研究大质量恒星死亡过程的方式。 2.1 多信使天文学与引力波源的分类 本部分详细解读了LIGO/Virgo/KAGRA探测到的引力波事件（GW Events）的后随观测结果。我们不仅分析了双黑洞并合（BBH）、双中子星并合（BNS），还深入讨论了黑洞-中子星并合（NSBH）的复杂动力学。特别关注了GW170817事件之后，对千新星（Kilonova）的辐射机制（特别是快中子捕获过程 $r$-process）的精细光谱模型重建，用于精确计算宇宙中重元素（如金、铂）的起源比例。 2.2 超大质量黑洞的成长与反馈 本书探讨了位于星系中心超大质量黑洞（SMBHs）的成长历史。通过对活动星系核（AGN）的X射线和射电观测，我们分析了“快速放射体”（Fast Radio Burst, FRB）的潜在产生机制，尤其是与合并残骸或极端磁场环境的联系。对星系团尺度的反馈效应（AGN feedback）的模拟结果进行了批判性评估，这些反馈如何调节宿主星系的恒星形成速率，是当前理论面临的核心难题。 --- 第三部分：早期宇宙与再电离时代的黎明 本部分深入研究宇宙诞生后的最初几亿年，即“黑暗时代”结束，第一批恒星和星系形成之时。 3.1 第一代恒星（Population III）的特性 通过分析宇宙微波背景（CMB）的极化数据（如Planck卫星的最新结果）和极低红移的候选目标，我们试图还原出只由氢和氦构成的第一代恒星的质量分布和寿命。理论模型预测了这些恒星可能形成的独特化学指纹，以及它们对后续星系演化的“播种”作用。 3.2 早期宇宙的再电离过程 再电离是宇宙历史上的关键转折点。本书整合了来自JWST深场图像（如CEERS和JADES项目）对极高红移星系（$z>10$）的光度函数和形态学的最新数据，结合21厘米信号的理论预测，探讨了哪些光源（超亮恒星、早期活动星系核或暗物质晕中的微型黑洞）最终主导了宇宙的再电离。 --- 第四部分：致密星体的内部物理：夸克物质与奇异星 本书超越了标准的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫（TOV）方程，进入了核物理在极端引力场中的应用。 4.1 中子星的态方程（EoS）的约束 基于引力波信号的啁率和质量限制，我们详细评估了当前对中子星内部物质状态方程的约束。重点讨论了“硬度”与“柔软度”对并合过程中能量耗散的影响。并探讨了在核心可能存在的夸克物质或奇异物质（Strange Matter）的物理解释，以及它们如何通过质量-半径关系被间接验证。 4.2 脉冲星作为宇宙学探针 利用脉冲星计时阵列（PTA，如NANOGrav、EPTA）对低频引力波背景的探测，本书展示了如何使用银河系内数千颗脉冲星作为超精密的时钟，来搜索宇宙早期（如宇宙弦或畴壁）遗留的超低频引力波信号。 --- 第五部分：高能宇宙射线与伽马射线暴的起源 5.1 极高能宇宙射线的谜团 我们批判性地分析了超高能宇宙射线（UHECRs，能量超过 $10^{18} ext{eV}$）的“仰角截止”问题。本书侧重于检验各种潜在的加速器模型，包括活动星系核喷流（AGN Jets）、星系团碰撞激波，以及最前沿的“恒星级质量黑洞并合后的回火喷流”模型。 5.2 伽马射线暴（GRBs）的统一模型 对长暴（LGRBs）和短暴（SGRBs）的物理机制进行了区分。重点分析了磁旋转星（Magnetar）模型在解释某些延迟的X射线余辉中的优势，以及利用Swift/Fermi数据对光致电离模型（Photoionization Models）与康普顿模型（Inverse Compton Models）在瞬时辐射阶段的拟合优度比较。 --- 第六部分：系外行星的生命宜居性与大气特征工程 本部分将天体物理学与行星科学深度融合，关注于如何从光谱中识别生物信号。 6.1 JWST时代的大气光谱解析 本书详述了传输谱（Transmission Spectroscopy）和直接成像光谱（Direct Imaging Spectroscopy）技术的最新校准方法。重点分析了对“超级地球”和“迷你海王星”大气中甲烷、二氧化碳、水蒸气的精确量化，以及寻找潜在的“生物印迹”（Biosignatures），如氧气、臭氧和甲烷的非热力学平衡组合。 6.2 宜居带的重新定义与潮汐锁定效应 超越传统的“水世界”概念，本书探讨了恒星活动（如耀斑辐射）对围绕红矮星运行行星的影响，以及潮汐锁定对行星气候的长期稳定性的挑战。 --- 第七部分：计算天体物理学的未来：机器学习与模拟的交汇 最后，本书探讨了推动前沿研究的计算方法论。 7.1 N体模拟的精度提升 详细介绍了当前用于模拟宇宙网演化的最新N体代码（如Arepo, GADGET-3）在处理磁流体动力学（MHD）和辐射输运方面的数值改进。 7.2 深度学习在数据处理中的应用 探讨了卷积神经网络（CNN）和生成对抗网络（GANs）如何被应用于快速分类引力波信号、识别早期星系形态，以及从高维光度数据中恢复缺失参数的有效性与局限性。 --- 目标读者： 本科高年级及研究生、从事天体物理学、宇宙学、高能物理及相关领域研究的科研人员。 本书的价值： 它不仅梳理了过去十年最重要的观测成果，更重要的是，它系统性地提出了当前理论模型面临的挑战，为下一代研究人员指明了亟待解决的科学前沿问题。
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