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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