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복사와 천문기체역학을 중심으로 한 천체물리학 교재

입자 간 충돌과 같은 미시적 현상에서 별과 은하의 생성 같은 거시적 현상까지, 우주의 다양한 천체물리 현상을 이해하기 위해서는 거의 모든 물리학적 배경 지식이 필요하다. 하지만 세분화된 현대 천문학 연구에서는 이들 물리학 과목을 모두 학습하고 연구를 시작하기에는 시간적으로 제약이 있다. 또 배경 이론에 대한 자세한 이해보다는 기본 개념에 대한 이해와 천체물리학적 의미에 대한 통찰이 더 중요한 경우가 많다. 따라서 이 책에서는 천체물리학에서 가장 기본적이고 넓은 응용 범위를 갖는 두 주제인 ‘복사와 천문기체역학’ 관련 내용을 집약적으로 다룬다. ‘복사’의 경우 해당 분야의 고전이라고 할 수 있는 Radiative Processes in Astrophysics(1979)의 형식과 내용을 바탕으로 학부 물리학 과목과의 접목을 시도하고 천문학적인 측면을 강조했으며, ‘천문기체역학’의 경우 기체역학의 기본적인 물리와 천문학적인 응용을 포괄할 뿐 아니라 초급자도 이해할 수 있도록 상세한 유도과정을 제시하였다.

1부에서는 복사를 기술하는 여러 물리량을 정의하고 복사의 기본 특성을 알아본 뒤, 2부에서는 연속복사의 방출 기작과 그 특성을 학습한다. 3부에서는 원자 및 분자의 에너지 준위와 선복사를 기술하는 여러 물리량에 대해서 살펴본다. 우주에서 대부분의 천체는 유체로 구성되어 있는데, 4부에서는 이러한 유체의 진화를 정량적으로 기술하는 기본 방정식을 유도하고 평형 해를 조사한 다음, 유체에 존재하는 기본적인 파동과 충격파의 성질을 학습한다.
어느 계가 완벽한 평형 상태에 있지 않더라도 물리량이 변하는 시간이 충분히 길면 평형 상태로 근사할 수 있다. 하지만 별생성, 제트의 방출, 초신성 폭발과 같이 물리량이 시간에 따라 비교적 빨리 변하는 비평형 계도 많다. 5부에서는 이러한 계의 진화를 조사하는 방법에 대해 학습한다. 6부에서 자기장이 유체에 미치는 영향과 이를 정량적으로 분석하는 방법을 다룬다.

■ 이 책은 복사에 관한 전반부와 천문기체역학에 관한 후반부를 독립적으로 각각 한 학기에 걸쳐 다루기에 적합하도록 구성되어 있다. 한 학기에 두 주제를 모두 다루고자 할 경우에는 제목에 ★표시가 붙은 단원을 건너뛸 수 있다.
■ 이 책에서는 천문학 분야에서 관습적으로 사용하는 cgs 단위계에 기반을 둔 가우스 단위계를 사용한다. 따라서 SI 단위계에 기반을 둔 MKSA 단위계에 친숙한 독자들의 이해를 돕기 위해 두 단위계에서의 전자기적 물리량과 방정식을 비교하는 표를 부록으로 수록하였다.

머리말

제1부 복사의 기초
제1장 복사의 기본 물리량과 그 특성
1.1 복사의 기본 물리량
1.2 복사의 방출, 흡수 및 전달
1.3 흑체복사
1.4 복사의 산란★

제2장 선복사
2.1 아인슈타인 계수
2.2 선복사의 방출계수 및 흡수계수
2.3 방출선과 흡수선

제2부 연속복사: 빛의 고전적 기술
제3장 맥스웰 방정식과 전자기파
3.1 맥스웰 방정식
3.2 평면 전자기파
3.3 전자기파의 편광
3.4 복사 스펙트럼

제4장 전자기 복사의 방출
4.1 전자기 퍼텐셜
4.2 속도장과 복사장
4.3 전기 쌍극자 복사장
4.4 자기 쌍극자 및 전기 사중극자 복사장★
4.5 복사감쇠와 선복사의 방출
4.6 산란과 흡수

제5장 제동복사
5.1 제동복사
5.2 열적 제동복사

제6장 싱크로트론 복사
6.1 상대론적 전하의 복사
6.2 싱크로트론 복사의 기본 특성
6.3 단일 전하의 싱크로트론 복사★
6.4 멱함수 꼴 전자의 싱크로트론 복사★
6.5 싱크로트론 복사의 기타 특성

제7장 컴프톤 산란
7.1 컴프톤 산란의 기본 특성
7.2 역컴프톤 산란에 의한 복사 파워
7.3 역컴프톤 산란의 복사 스펙트럼★
7.4 역컴프톤 산란에 의한 냉각과 컴프톤화★

제8장 플라즈마 효과
8.1 전자기파의 분산
8.2 패러데이 회전

제3부 원자의 구조와 선복사
제9장 원자의 구조
9.1 수소 원자의 기본 구조
9.2 수소 원자의 미세 구조와 초미세 구조★
9.3 헬륨 원자의 구조★
9.4 다전자 원자의 구조
9.5 원자의 에너지 준위 분포

제10장 복사천이★
10.1 쌍극자 복사천이 확률
10.2 아인슈타인 계수와 진동자세기
10.3 선택 규칙
10.4 수소선의 진동자세기와 아인슈타인 계수

제11장 분자의 구조와 스펙트럼
11.1 분자 에너지 구조와 보른-오펜하이머 근사
11.2 전자 에너지와 분광항 표기법★
11.3 회전 스펙트럼★
11.4 진동 스펙트럼★
11.5 분자의 회전 및 진동 에너지 준위 분포★

제4부 유체역학의 기초
제12장 유체역학의 기본 방정식
12.1 유체의 개념
12.2 유체역학의 기술 방식
12.3 압력과 열 에너지
12.4 유체입자의 궤적
12.5 기본 방정식

제13장 유체의 평형
13.1 원반의 평형
13.2 단열 기체구: 폴리트로프★
13.3 등온 기체구
13.4 정상 평형: 베르누이 원리
13.5 소용돌이와 켈빈의 정리
13.6 속도장의 헬름홀츠 분해★
13.7 난류★

14장 파동
14.1 정지한 균일 매질
14.2 움직이는 균일 매질★
14.3 층화된 원반

제15장 충격파
15.1 비선형 파동의 가팔라짐★
15.2 리만 특성 해석법★
15.3 단열 수직 충격파
15.4 빗각 충격파★
15.5 등온 충격파

제5부 유체의 진화
제16장 유체의 불안정
16.1 레일리-테일러 불안정
16.2 켈빈-헬름홀츠 불안정
16.3 대류 불안정
16.4 열 불안정

제17장 중력 불안정
17.1 3차원 균일 매질
17.2 얇은 회전 원반
17.3 그네 증폭★

제18장 초신성 잔해의 진화
18.1 자유팽창 단계
18.2 단열팽창 단계
18.3 넉가래 단계
18.4 합병 단계

제19장 비리얼 정리와 응용
19.1 비리얼 정리
19.2 비충돌 천체의 질량 추정
19.3 등온 성간운의 평형
19.4 은하 조석력과 성간운의 평형

제6부 자기유체역학
제20장 기본 방정식
20.1 자기유체역학의 전제 조건
20.2 연속 방정식
20.3 운동량 방정식
20.4 옴의 법칙
20.5 J와 B의 관계식
20.6 유도 방정식
20.7 총에너지 방정식
20.8 로런츠 힘
20.9 요약

제21장 자기유체역학 파동
21.1 알펜파
21.2 빠른/느린 자기유체파
21.3 비틀림 알펜파★

제22장 자기유체 충격파
22.1 도약 관계식
22.2 접촉/접선 불연속면
22.3 회전 불연속면
22.4 수평 충격파(B∥v)
22.5 수직 충격파(B⊥v)
22.6 빗각 충격파★

제23장 자기유체역학 불안정★
23.1 자화된 매질의 레일리-테일러 불안정
23.2 파커 불안정
23.3 자기회전 불안정
23.4 자화된 매질의 중력 불안정

부록
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