第一章 宇宙正在像气球一样膨胀 1
1.1 从古代宇宙观到现代宇宙学 2
1.1.1 古代中国的宇宙观 2
1.1.2 近代欧洲的宇宙学说 5
1.1.3 现代宇宙学的诞生 10
1.2 现代宇宙学的观测事实 13
1.2.1 宇宙的层次与大尺度结构 13
1.2.2 星系红移 19
1.2.3 宇宙微波背景辐射 20
1.2.4 轻元素的合成 27
1.3 宇宙起源于大爆炸 30
1.3.1 宇宙的理论模型 30
1.3.2 符合宇宙学原理的时空度规 34
1.3.3 大爆炸后的宇宙之旅 35
1.3.4 宇宙的年龄 39
1.4 宇宙从减速膨胀到加速膨胀的疑惑 43
1.4.1 暗物质及其存在的证据 44
1.4.2 暗能量及其存在的证据 46
1.4.3 关于宇宙加速膨胀的解释 49
1.4.4 宇宙物质组分及物理本质 50
1.4.5 两朵乌云的物理学革命 51
1.5 宇宙的未来命运 52
1.5.1 宇宙的整体命运 52
1.5.2 连接宇宙的时空隧道 55
1.5.3 人类文明的未来 59
第二章 纵观恒星的一生 61
2.1 认识恒星的物理特征 62
2.1.1 恒星的电磁波辐射 62
2.1.2 恒星的光度与光谱 64
2.1.3 恒星的距离与位置 71
2.1.4 恒星的运动与自转 76
2.1.5 恒星的大小与质量 77
2.1.6 恒星的活动与能源 79
2.2 恒星的孕育时期 79
2.2.1 从星际物质到原始星云 80
2.2.2 从原始星云到恒星诞生 81
2.3 恒星的少年时期 85
2.3.1 林忠四郎线与少年恒星的关系 85
2.3.2 从林忠四郎线到主序带的演化 86
2.3.3 少年恒星内部的小规模核反应 89
2.4 恒星的青壮年时期 90
2.4.1 主序带及等年龄线 90
2.4.2 恒星内部的核合成 92
2.5 恒星的衰老过程 95
2.5.1 小质量恒星的衰老过程 95
2.5.2 中等质量恒星的衰老过程 98
2.5.3 大质量恒星的衰老过程 100
2.5.4 恒星衰老过程的决定性因素 103
2.6 恒星的生命尽头 105
2.6.1 恒星的死亡符号 105
2.6.2 恒星的最终归宿 111
2.7 如此多变和致密的恒星 113
2.7.1 变星的分类及物理机制 113
2.7.2 致密的白矮星、中子星和黑洞 118
第三章 来自遥远天体的脉冲信号 127
3.1 从中子星预言到脉冲星发现 127
3.1.1 中子星的理论预言 127
3.1.2 脉冲星的射电发现 130
3.1.3 脉冲星就是中子星 134
3.1.4 脉冲星与诺贝尔物理学奖 136
3.2 脉冲星的命名、分类及分布 138
3.2.1 脉冲星的命名规则 138
3.2.2 脉冲星的基本类型 140
3.2.3 脉冲星的空间分布 146
3.3 脉冲星的辐射机制与物理特征 149
3.3.1 脉冲星的灯塔效应 149
3.3.2 脉冲星的辐射机制 150
3.3.3 脉冲星的内部结构 153
3.3.4 脉冲星的物理条件 155
3.3.5 脉冲星的形成过程 156
3.4 脉冲星的观测特性 156
3.4.1 脉冲星的脉冲轮廓 156
3.4.2 脉冲星的周期性质 159
3.4.3 脉冲星的辐射能谱 161
3.4.4 脉冲星的距离测量 161
3.4.5 脉冲星的辐射偏振 163
3.4.6 脉冲星的空间运动 163
3.5 射电脉冲星观测技术 164
3.5.1 射电天文发展历程 164
3.5.2 射电望远镜技术原理 167
3.5.3 现代大型射电望远镜 173
3.5.4 射电脉冲星的观测研究 177
3.6 X射线脉冲星观测技术 179
3.6.1 X射线的发现与物理性质 179
3.6.2 X射线探测器机理 181
3.6.3 X射线探测器分类 184
3.6.4 X射线天文观测 190
3.6.5 X射线脉冲星的可观测性 198
第四章 宇宙航行的漫漫征程 201
4.1 宇宙航行的基本内涵 201
4.1.1 宇宙航行的相关概念 201
4.1.2 宇宙航行的工程系统 202
4.1.3 宇宙航行的速度要求 204
4.1.4 宇宙航行的动力来源 208
4.2 早期宇宙航行的思想与技术基础 217
4.2.1 神话传说及飞行思想萌芽 217
4.2.2 从火药发明到火箭技术发展 220
4.2.3 万户飞天的传说 225
4.2.4 宇航科幻小说的兴起 228
4.3 现代宇航技术领域的开拓者 235
4.3.1 俄国的齐奥尔科夫斯基 235
4.3.2 法国的贝尔特利 239
4.3.3 美国的戈达德 242
4.3.4 德国的奥伯特 246
4.4 宇宙航行研究社团的推动作用 249
4.4.1 苏联的火箭及宇宙航行研究社团 249
4.4.2 德国的星际航行协会 253
4.4.3 美国的宇宙航行研究组织 255
4.4.4 英国的星际航行协会 260
4.4.5 其他国家的宇航研究组织 261
4.5 宇宙航行时代的来临 262
4.5.1 液体火箭武器及V-2导弹 262
4.5.2 第一颗人造卫星发射 266
4.5.3 载人地球轨道飞行 272
4.5.4 载人登陆月球 285
4.6 飞出太阳系 298
4.6.1 太阳系边界确定 298
4.6.2 先驱者号探测器 302
4.6.3 旅行者号探测器 314
4.6.4 新视野号探测器 329
第五章 引导运动体航行的途径 333
5.1 导航的相关概念及内涵 333
5.2 从古代指南车到现代导航系统 335
5.3 天文导航系统 339
5.3.1 天文导航系统原理 339
5.3.2 天文导航技术发展及应用 341
5.4 惯性导航系统 345
5.4.1 惯性导航系统原理 345
5.4.2 惯性导航技术发展及应用 347
5.5 无线电导航系统 349
5.5.1 测距与测向导航系统 349
5.5.2 双曲线导航系统 350
5.5.3 多普勒导航系统 352
5.6 卫星导航系统 354
5.6.1 卫星导航的起源 355
5.6.2 第一代卫星导航系统 356
5.6.3 第二代卫星导航系统 359
5.7 关于航天器的导航问题 366
5.7.1 轨道与姿态确定 367
5.7.2 轨道与姿态控制 370
5.8 航天器的地面导航网络 372
5.8.1 航天测控系统及导航网络的关系 372
5.8.2 导航星座的地面控制网络 377
5.8.3 深空探测器的地面导航网络 382
5.9 航天器的自主导航技术 387
5.9.1 航天器自主导航概念 387
5.9.2 GPS星座的自主导航技术 388
5.9.3 自主导航星座的整体旋转问题 393
第六章 脉冲星导航的理论体系 395
6.1 脉冲星导航的原理与进展 395
6.1.1 脉冲星导航的基本原理 395
6.1.2 脉冲星导航概念的提出 398
6.1.3 脉冲星导航技术研究进展 400
6.2 脉冲星导航的体系结构 403
6.2.1 典型的多学科交叉体系 403
6.2.2 科学问题及关键技术体系 404
6.3 经典牛顿力学框架下的时空基准理论 408
6.3.1 基于牛顿力学的质点运动描述 408
6.3.2 时间的基本概念及分类 409
6.3.3 国际地球参考系及参考框架 416
6.3.4 牛顿力学的理论缺陷 420
6.4 广义相对论框架下的时空基准理论 422
6.4.1 黎曼空间的概念 423
6.4.2 引力与时空弯曲 426
6.4.3 关于时空测量问题的物理解释 434
6.4.4 相对论时间尺度 441
6.4.5 国际天球参考系及参考框架 443
6.5 脉冲星时间系统的构建方法 450
6.5.1 脉冲星时间系统特征及数学模型 450
6.5.2 脉冲星时间参考框架 453
6.5.3 脉冲星时间稳定度的估计方法 455
6.5.4 脉冲星时与原子时稳定度对比分析 457
6.6 大尺度导航的基本方法 460
6.6.1 导航模式分类与基本观测量 461
6.6.2 光子到达时间转换过程 462
6.6.3 脉冲轮廓提取方法 467
6.6.4 关于脉冲相位的整周模糊度问题 473
6.6.5 航天器轨道与时间参数测量方法 477
6.6.6 航天器姿态参数测量方法 481
6.7 地面试验系统设计 484
6.7.1 必要性分析 484
6.7.2 系统组成及功能 486
6.7.3 系统整体布局设计 487
6.7.4 系统工作模式设计 488
6.7.5 数值试验与结果分析 489
6.8 卫星导航系统的未来 495
6.8.1 脉冲星导航的应用体系 495
6.8.2 卫星导航系统的跨代 497
6.8.3 第三代卫星导航系统构想 500
附录A 用于先驱者和旅行者号定位的脉冲星参数 503
附录B 全球UTC实验室标识 504
附录C 天文学及物理学常数 508
附录D 单位表示及换算关系 509
附录E 专业术语英汉对照 512
参考文献 519