天体物理学的前沿与争议
这门课学什么
这门课集中讲 3 个研究热点：系外行星、黑洞、暗能量与宇宙膨胀。每部分先讲必需的物理知识，再讲天文学家怎样检验相互竞争的假说。课程提供习题集和 1 篇可选论文作业。
内容摘要
这门课不做天文学全景巡礼。它只挑 3 个当时进展最快的前沿：系外行星、黑洞、暗能量。每个主题都讲到研究前线，让学生看清哪些已经知道、哪些还不知道、天文学家正在用什么办法去查。课程面向非理科专业学生，只要求高中程度的代数和物理。
第 1 部分是系外行星。课程从开普勒定律和牛顿引力出发，推到多普勒测速法、凌星法、天体测量法和微引力透镜。中间插入冥王星降级的争论，讨论科学分类怎样受文化影响。第 2 部分是黑洞。课程先补狭义相对论和广义相对论，再讲逃逸速度、史瓦西半径、引力红移、引力透镜和脉冲双星，最后落到恒星级黑洞和超大质量黑洞。
第 3 部分是宇宙学。课程从哈勃定律和距离测量讲起，经过大爆炸与稳恒态之争、暗物质、Ia 型超新星和加速膨胀，再到宇宙微波背景和大尺度结构，最后讨论人择原理和多宇宙。2012 年前后，Bailyn 补录了 3 次 Update 讲座，分别更新开普勒任务、黑洞自旋和宇宙结构增长。2015 年探测到引力波后，课程又补了 2 讲。
原课每周有习题，题目同时含数量计算和短文论述。另有 2 次课内考试和 1 次期末考试，考试允许开卷。课上经常现场算数量级，例如行星质量、恒星距离、暗能量密度。学完后，学生能读懂科普报道里的系外行星和宇宙学新闻，也能用简单公式估算结论是否靠谱。
Bailyn 讲课节奏轻快，问答时间多，常把科学史讲成带寓意的小故事。需要注意：本课录于 2007 年，系外行星数量和暗能量观测数据都已过时。Update 讲座只更新到 2012 年前后。
为什么值得学
课程不罗列天文知识，而是展示开放问题怎样被研究。讲师贝林本人从事黑洞研究。
课程信息
- 学校
- 耶鲁（Yale）
- 课程号
- ASTR 160
- 讲师
- 查尔斯·贝林（Charles Bailyn）
- 学期
- Spring 2007
- 平台
- Open Yale Courses
- 费用
- 免费
- 难度
- 入门
- 学时
- 26 讲 + 3 场更新讲座，每讲约 1 小时
- 先修
- 需要高中代数和基础物理。
- 材料
- 视频、讲义、作业、考试
- 许可证
- CC BY-NC-SA 3.0
课程大纲 · 共 29 节
大纲依据：Spring 2007 Open Yale Courses 讲次列表（含 3 次 Update 讲座和 2 讲事后补录）（查看原始页面 ↗）
- 1课程导论Introduction
介绍系外行星、黑洞、宇宙学 3 大主题和课程要求。从托勒密到牛顿简述行星轨道认识的演变。
- 2行星轨道Planetary Orbits
说明寻找系外行星的难点。练习用物理单位和有效数字计算行星质量与距离。
- 3太阳系与冥王星问题Our Solar System and the Pluto Problem
逐个介绍太阳系天体，包括柯伊伯带和奥尔特云。讨论冥王星该不该算行星。
- 4发现系外行星：热木星Discovering Exoplanets: Hot Jupiters
讲行星形成理论和多普勒频移。用飞马座 51 的例子说明热木星怎样被发现。
- 5行星凌星Planetary Transits
借冥王星争论讨论文化对科学的影响。分析热木星观测中的选择效应和质心运动。
- 6微引力透镜、天体测量与其他方法Microlensing, Astrometry and Other Methods
讲凌星法能测出的行星信息和它的局限。引入金属丰度和行星迁移理论。
- 7系外行星直接成像Direct Imaging of Exoplanets
结合凌星和多普勒数据算行星密度。介绍天体测量法，并展望开普勒、SIM、TPF 这 3 个空间任务。
- 更新 1开普勒任务The Kepler Mission
补录讲座。回顾 2009 年发射的开普勒望远镜发现的大批系外行星，以及寻找类地行星的进展。
- 8黑洞导论Introduction to Black Holes
开启黑洞单元。讲逃逸速度、史瓦西半径，以及恒星演化怎样走向白矮星、中子星和黑洞。
- 9狭义相对论与广义相对论Special and General Relativity
讲事件视界和奇点。回答时间旅行这类常见疑问，并引出相对论的必要性。
- 10相对论的检验Tests of Relativity
讲洛伦兹因子和后牛顿近似。用大气层中的 μ 子说明时间膨胀。
- 11狭义相对论与广义相对论（续）Special and General Relativity (cont.)
回顾爱因斯坦提出相对论的历史背景。演示质量怎样让时空弯曲。
- 12恒星级黑洞Stellar Mass Black Holes
讲不变间隔和史瓦西度规。说明视界内时间和空间角色互换，并列出天文观测中的广义相对论证据。
- 13恒星级黑洞（续）Stellar Mass Black Holes (cont.)
逐一讲 4 种后牛顿效应：近日点进动、光线偏折、引力红移、引力波。
- 14脉冲星Pulsars
讲引力透镜的观测实例。用脉冲双星检验广义相对论，并讨论测量误差。
- 15超大质量黑洞Supermassive Black Holes
讲强场相对论。说明怎样借 X 射线双星伴星的轨道估算致密天体的质量。
- 更新 2黑洞会自旋吗？Do Black Holes Spin?
补录讲座。介绍 Bailyn 团队测量黑洞自旋的工作，结果当时仍有争议。
- 16哈勃定律与大爆炸Hubble's Law and the Big Bang
开启宇宙学单元。讲旋涡星云之争、哈勃红移图，以及视差法和标准烛光法测距。
- 17哈勃定律与大爆炸（续）Hubble's Law and the Big Bang (cont.)
从哈勃定律推宇宙年龄。讨论宇宙有没有中心和边界，以及大挤压的可能。
- 18哈勃定律与大爆炸（再续）Hubble's Law and the Big Bang (cont.)
对比大爆炸和稳恒态理论。说明类星体观测怎样推翻稳恒态理论。
- 19Ω 与宇宙的终结Omega and the End of the Universe
讲引力怎样让膨胀减速，以及测宇宙密度的办法。比较暗物质的 WIMP 和 MACHO 两种假说。
- 20暗物质Dark Matter
引入尺度因子。讲暗能量的发现和爱因斯坦的宇宙学常数。
- 21暗能量、加速膨胀与大撕裂Dark Energy and the Accelerating Universe and the Big Rip
介绍超新星宇宙学计划的数据。计算暗能量密度，并提出大撕裂这种结局。
- 22超新星Supernovae
讲宇宙从减速转为加速的时间点。讨论高红移超新星亮度的系统误差，以及 JDEM 和 LSST 计划。
- 23其他约束：宇宙微波背景Other Constraints: The Cosmic Microwave Background
讲 COBE 和 WMAP 对微波背景的测量。介绍用大尺度成团约束暗物质和暗能量。
- 24多宇宙与万有理论The Multiverse and Theories of Everything
讨论人择原理和多宇宙假说。以科学与哲学的边界收束全课。
- 更新 3宇宙“黑暗时代”与结构增长The “Dark Ages” and the Growth of Structure
补录讲座。说明新观测继续支持含暗物质和暗能量的标准模型，并讲宇宙结构怎样从微小起伏长成星系分布。
- 25引力波的探测Detection of Gravitational Waves
事后补录。讲 2015 年首次探测到双黑洞并合产生的引力波。
- 26LIGO 与引力波观测LIGO and Observing of Gravitational Waves
事后补录。介绍 LIGO 探测器怎样工作，以及引力波观测对黑洞研究的意义。