紅移現(xiàn)象（天文學(xué)現(xiàn)象之一）
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紅移現(xiàn)象
天文學(xué)現(xiàn)象之一
紅移現(xiàn)象，最初是針對(duì)機(jī)械波而言的，即一個(gè)相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)著的物體離得越遠(yuǎn)發(fā)出的聲音越渾厚（波長(zhǎng)比較長(zhǎng)），相反離得越近發(fā)出的聲音越尖細(xì)（波長(zhǎng)比較短）。
基本信息
| 中文名 | 紅移現(xiàn)象 |
| 外文名 | red shift |
| 分類 | 多普勒紅移 引力紅移 |
| 所屬國(guó)家 | 美國(guó) |
| 領(lǐng)域 | 天文學(xué) |
定義
紅移（red shift）
后來(lái)，美國(guó)天文學(xué)家哈勃把一個(gè)天體的光譜向長(zhǎng)波（紅）端的位移叫做多普勒紅移。通常認(rèn)為它是多普勒效應(yīng)所致，即當(dāng)一個(gè)波源（光波或射電波）和一個(gè)觀測(cè)者互相快速運(yùn)動(dòng)時(shí)所造成的波長(zhǎng)變化。美國(guó)天文學(xué)家哈勃于1929年確認(rèn)，遙遠(yuǎn)的星系均遠(yuǎn)離我們地球所在的銀河系而去，同時(shí)，它們的紅移隨著它們的距離增大而成正比地增加。這一普遍規(guī)律稱為哈勃定律，它成為星系退行速度及其和地球的距離之間的相關(guān)的基礎(chǔ)。這就是說(shuō)，一個(gè)天體發(fā)射的光所顯示的紅移越大，該天體的距離越遠(yuǎn)，它的退行速度也越大。
分類
紅移有3種：多普勒紅移（由于輻射源在固定的空間中遠(yuǎn)離我們所造成的）、引力紅移（由于光子擺脫引力場(chǎng)向外輻射所造成的）和宇宙學(xué)紅移（由于宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對(duì)于不同的研究對(duì)象，牽涉到不同的紅移，具體的見(jiàn)下表：
展開(kāi)表格
通常引力紅移都比較小，只有在中子星或者黑洞周圍這一效應(yīng)才會(huì)比較大。對(duì)于遙遠(yuǎn)的星系來(lái)說(shuō)，宇宙學(xué)紅移是很容易區(qū)別的，但是在星系隨著空間膨脹遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，由于其自身的運(yùn)動(dòng)，在宇宙學(xué)紅移中也會(huì)摻雜進(jìn)多普勒紅移。
一般說(shuō)來(lái)，為了從其他紅移中區(qū)別引力紅移，你可以將這個(gè)天體的大小與這個(gè)天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進(jìn)行比較。類似星云和星系這樣的天體，它們的半徑是相同質(zhì)量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的量級(jí)也大約是靜止頻率的千億分之一。對(duì)于普通的恒星而言，它們的半徑是同質(zhì)量黑洞半徑的十萬(wàn)倍左右，這已經(jīng)接近目前光譜觀測(cè)分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質(zhì)量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級(jí)可以達(dá)到靜止波長(zhǎng)的
和
。
宇宙學(xué)紅移在100個(gè)百萬(wàn)秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對(duì)于比較近的星系，由于星系本身在星系團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)所造成的多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移的量級(jí)差不多，你必須仔細(xì)的區(qū)別開(kāi)這兩者。通常星系在星系團(tuán)中的速度為
，這大約與在50個(gè)百萬(wàn)秒差距處的星系的退行速度相當(dāng)。
詳解
天體的光或者其他電磁輻射可能由于三種效應(yīng)被拉伸而使波長(zhǎng)變長(zhǎng)。因?yàn)榧t光的波長(zhǎng)比藍(lán)光的長(zhǎng)，所以這種拉伸對(duì)光學(xué)波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，于是全部三種過(guò)程都被稱為‘紅移’。
第一類紅移在1842年由布拉格大學(xué)的數(shù)學(xué)教授克里斯琴·多普勒做了說(shuō)明，它是由運(yùn)動(dòng)引起的。當(dāng)一個(gè)物體，比如一顆恒星，遠(yuǎn)離觀測(cè)者而運(yùn)動(dòng)時(shí)，其光譜將顯示相對(duì)于靜止恒星光譜的紅移，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)恒星將它朝身后發(fā)射的光拉伸了。類似地，一顆朝向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)的恒星的光將因恒星的運(yùn)動(dòng)而被壓縮，這意味著這些光的波長(zhǎng)較短，因而稱它們藍(lán)移了。目前為止，恒星都出現(xiàn)紅移，說(shuō)明宇宙在膨脹。
一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體發(fā)出的聲波的波長(zhǎng)(聲調(diào))也有與此完全相似的變化。朝向你運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)出的聲波被壓縮，因而聲調(diào)較高；離你而去的物體的聲波被拉伸，因而聲調(diào)較低。任何遇到過(guò)急救車或其他警車警笛長(zhǎng)鳴擦身而過(guò)的人對(duì)以上兩種情況都不會(huì)陌生。聲波和電磁輻射的上述現(xiàn)象都叫做多普勒效應(yīng)。
多普勒效應(yīng)引起的紅移和藍(lán)移的測(cè)量使天文學(xué)家得以計(jì)算出恒星的空間運(yùn)動(dòng)有多快，而且還能夠測(cè)定，比如說(shuō)，星系的自轉(zhuǎn)方式。天體紅移的量度是用紅移引起的相對(duì)變化表示，稱為z。如果
，則表示波長(zhǎng)增加了10%，等等。只要所涉及的速率遠(yuǎn)低于光速，z也將等于運(yùn)動(dòng)天體的速率除以光速。所以，0.1的紅移意味著恒星以的光速遠(yuǎn)離我們而去。
1914年，工作在洛韋爾天文臺(tái)的維斯托·斯里弗發(fā)現(xiàn)，15個(gè)稱為旋渦星云(現(xiàn)在叫做星系)的天體中有11個(gè)的光都顯示紅移。1922年，威爾遜山天文臺(tái)的埃德溫·哈勃和米爾頓·哈馬遜進(jìn)行了更多的類似觀測(cè)。哈勃首先確定了星云是和銀河系一樣的另外的星系。然后，他們發(fā)現(xiàn)大量星系的光都有紅移。到了1929年，哈勃主要通過(guò)將紅移和視亮度的比較，確立了星系的紅移與它們到我們的距離成正比的關(guān)系(現(xiàn)在稱為哈勃定律)。這個(gè)定律僅對(duì)很少幾個(gè)在空間上離銀河系最近的星系不成立，例如仙女座星系的光譜顯示的是藍(lán)移。
起初，遙遠(yuǎn)星系的紅移被解釋成星系在空間運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，似乎它們?nèi)际怯捎谝糟y河系為中心的一次爆炸而四散飛開(kāi)。但很快就意識(shí)到，這種膨脹早已隱含在發(fā)現(xiàn)哈勃定律之前十幾年發(fā)表的廣義相對(duì)論方程式之中。當(dāng)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦本人1917年首次應(yīng)用那些方程式導(dǎo)出關(guān)于宇宙的描述(宇宙模型)時(shí)，它發(fā)現(xiàn)方程式要求宇宙必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——要么膨脹，要么收縮。方程式排除了穩(wěn)定模型存在的可能性。由于當(dāng)時(shí)無(wú)人知曉宇宙是膨脹的，于是愛(ài)因斯坦在方程式中引入一個(gè)虛假的因子，以保持模型靜止；他后來(lái)說(shuō)這是他一生‘最大的失誤’。
去掉那個(gè)虛假因子后，愛(ài)因斯坦方程式能準(zhǔn)確描述哈勃觀測(cè)到的現(xiàn)象。方程式表明，宇宙應(yīng)該膨脹，這并不是因?yàn)樾窍翟诳臻g運(yùn)動(dòng)，而是星系之間的虛無(wú)空間(嚴(yán)格說(shuō)是時(shí)空)在膨脹。這種宇宙學(xué)紅移的產(chǎn)生，是因?yàn)檫b遠(yuǎn)星系的光在其傳播途中被膨脹的空間拉開(kāi)了，而且拉開(kāi)的程度與空間膨脹的程度一樣。
由于紅移正比于距離，這就給宇宙學(xué)家提供了一個(gè)測(cè)量宇宙的衡量標(biāo)準(zhǔn)。量竿必須通過(guò)測(cè)量較近星系來(lái)校準(zhǔn)，雖然這種校準(zhǔn)還有一些不確定性(見(jiàn)宇宙距離尺度)，但它仍然是宇宙學(xué)唯一最重要的發(fā)現(xiàn)。沒(méi)有測(cè)量距離的方法，宇宙學(xué)家就不可能真正開(kāi)始認(rèn)識(shí)宇宙的本質(zhì)，而哈勃定律的準(zhǔn)確性表明，廣義相對(duì)論是關(guān)于宇宙如何運(yùn)轉(zhuǎn)的極佳描述。
由于歷史原因，星系的紅移仍然用速度來(lái)表示，盡管天文學(xué)家知道紅移并非由通過(guò)空間的運(yùn)動(dòng)所引起。一個(gè)星系的距離等于它的紅移‘速度’除以一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)叫做哈勃常數(shù)，它的數(shù)值大約是60公里每秒每百萬(wàn)秒差距，這意味著星系和我們之間距離的每一個(gè)百萬(wàn)秒差距將引起60公里每秒的紅移速度。對(duì)我們的最近鄰居來(lái)說(shuō)，宇宙學(xué)紅移是很小的，而像仙女座星系那樣的星系顯示的藍(lán)移確實(shí)是它們的空間運(yùn)動(dòng)造成的多普勒效應(yīng)藍(lán)移。遙遠(yuǎn)星系團(tuán)(猶如一群蜜蜂)中的星系顯示圍繞某個(gè)中間值的紅移擴(kuò)散度；這個(gè)中間值就是該星系團(tuán)的宇宙學(xué)紅移，而對(duì)于中間值的偏差則是星系在星系團(tuán)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)。
哈勃定律是唯一的紅移/距離定律(穩(wěn)定宇宙除外)，不論從宇宙中的哪個(gè)星系來(lái)觀測(cè)，這個(gè)定律‘看起來(lái)都是一樣’的。每個(gè)星系(非常近的鄰居除外)退離另一個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)都遵循這條定律，膨脹是沒(méi)有‘中心’的。這種情形通常比作畫在氣球表面的斑點(diǎn)，當(dāng)氣球吹脹時(shí)，斑點(diǎn)彼此分開(kāi)更遠(yuǎn)，這是因?yàn)闅馇虮谂蛎浟?，而不是因?yàn)榘唿c(diǎn)在氣球表面上移動(dòng)了。從任意一個(gè)斑點(diǎn)進(jìn)行的測(cè)量將證明，所有其他斑點(diǎn)的退行是均勻的，完全遵守哈勃定律。
當(dāng)紅移大到相當(dāng)于大約
以上光速時(shí)，紅移的計(jì)算就必須考慮狹義相對(duì)論的要求。所以紅移等于2并不表示天體的宇宙學(xué)‘速度’是光速的兩倍。事實(shí)上，
對(duì)應(yīng)的宇宙學(xué)速度等于光速的80%。已知最遙遠(yuǎn)類星體的紅移稍稍大于4，對(duì)應(yīng)的‘速度’剛剛超過(guò)光速的90%；星系紅移的最高記錄屬于一個(gè)叫做
的天體，其紅移值等于4.25。宇宙微波背景輻射的紅移是1,000。
第三類紅移是由引力引起的，而且也是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所闡明的。從一顆恒星向外運(yùn)動(dòng)的光是在恒星的引力場(chǎng)中做‘登山’運(yùn)動(dòng)，因而它將損失能量。當(dāng)一個(gè)物體，比如火箭，在引力場(chǎng)中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它損失能量并減速(這就是為什么火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須點(diǎn)火才能將它推人軌道的原因)。但光不可能減速；光永遠(yuǎn)以比300,000公里每秒小一點(diǎn)點(diǎn)的同一速率c傳播。既然光損失能量時(shí)不減速，那就只有增加波長(zhǎng)，也就是紅移。
原理上，逃離太陽(yáng)的光，甚至地球上的火把向上發(fā)出的光，都有這種引力紅移。但是，只有在如白矮星表面那樣的強(qiáng)引力場(chǎng)中，引力紅移才大到可測(cè)的程度。黑洞可以看成是引力場(chǎng)強(qiáng)大到使試圖逃離它的光產(chǎn)生無(wú)窮大紅移的物體。
所有三類紅移可能同時(shí)起作用。如果我們的望遠(yuǎn)鏡非常靈敏，能夠看見(jiàn)遙遠(yuǎn)星系中的白矮星的話，那么白矮星光的紅移將是多普勒紅移、宇宙學(xué)紅移和引力紅移的聯(lián)合效果。
紅移是河外天體共有的特征。因此，絕大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，類星體是河外星體。紅移-視星等關(guān)系的統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明：哈勃定律對(duì)于河外星系是適用的。就是說(shuō)，它們的紅移是宇宙學(xué)紅移，它們的距離是宇宙學(xué)距離，它們的紅移和視星等是統(tǒng)計(jì)相關(guān)的。可是，對(duì)類星體來(lái)說(shuō)，紅移和視星等的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性很差，這就產(chǎn)生了兩個(gè)彼此相關(guān)的問(wèn)題：類星體的紅移是否就是宇宙學(xué)紅移，類星體的距離是否就是宇宙學(xué)的距離。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，類星體的紅移是宇宙學(xué)紅移。因此，紅移反映了類星體的退行，而且符合哈勃定律。按照這種看法，作為一種天體類型而言，類星體是人類迄今為止觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的天體。持這種觀點(diǎn)的人認(rèn)為，類星體紅移-視星等的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性很差的原因，在于類星體的絕對(duì)星等彌散太大。如果按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將類星體分類，對(duì)某種類型的類星體進(jìn)行紅移-視星等統(tǒng)計(jì)，則相關(guān)性便會(huì)顯著提高。支持宇宙學(xué)紅移的觀測(cè)事實(shí)還有：已發(fā)現(xiàn)三個(gè)類星體分別位于三個(gè)星系團(tuán)里，而這些類星體的紅移和星系團(tuán)的紅移差不多；類星體與某些激擾星系（如塞佛特星系）很類似；蝎虎座BL型天體是一種在形態(tài)上類似恒星的天體，以前認(rèn)為它們是銀河系內(nèi)的變星，現(xiàn)已確定，它們是遙遠(yuǎn)的河外天體。
少數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為類星體的紅移不是宇宙學(xué)紅移。這種觀點(diǎn)所依據(jù)的觀測(cè)事實(shí)有：某些類星體和亮星系（它們的紅移相差很大）的抽樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，它們之間存在一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；某些類星體（如馬卡良星系205）似乎同亮星系之間有物質(zhì)橋聯(lián)系，而二者的紅移相差極大。持這種觀點(diǎn)的人對(duì)紅移提出過(guò)一些解釋。例如，認(rèn)為類星體是銀河系或其附近星系拋出來(lái)的，因此認(rèn)為類星體紅移是多普勒紅移，而不是宇宙學(xué)紅移。也有人認(rèn)為，類星體紅移是大質(zhì)量天體的引力紅移。還有一些理論認(rèn)為類星體的紅移可能是某種未知的物理規(guī)律造成的，這就向近代物理學(xué)提出了所謂的紅移挑戰(zhàn)。
意義
紅移定律已為后來(lái)的研究證實(shí)，并為認(rèn)為宇宙膨脹的現(xiàn)代相對(duì)論宇宙學(xué)理論提供了基石。上個(gè)世紀(jì)60年代初以來(lái)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體，它們的紅移比以前觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的星系的紅移都更大。各種各樣的類星體的極大的紅移使我們認(rèn)為，它們均以極大的速度（即接近光速的90%）遠(yuǎn)離地球而去；還使我們?cè)O(shè)想，它們是宇宙中距離最遙遠(yuǎn)的天體。
換句話說(shuō)，由于多普勒紅移現(xiàn)象的存在，從這個(gè)意義上來(lái)講，宇宙不是無(wú)限的，而是有界的，即天體紅移的速度等于光速的地帶就是宇宙的邊緣和界限了，超過(guò)了這個(gè)界限，也就超過(guò)了光速，光線也就因此永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到我們的視界，那就不是我們這個(gè)世界了，到底是怎樣只有上帝才知道。
現(xiàn)在，根據(jù)科學(xué)測(cè)定，宇宙的年齡大約是150億年，這個(gè)既是它的年齡（時(shí)間），其實(shí)也是它的空間長(zhǎng)度，即150億光年是我們觀察太空理論上能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離了，我們現(xiàn)在看到的距離地球150億光年的地方恰恰就是宇宙誕生時(shí)的鏡像。150億年前，在大爆炸的起點(diǎn)，時(shí)間和空間獲得的最完美的統(tǒng)一，那一點(diǎn)（或那一刻）即是我們整個(gè)宇宙的開(kāi)端。
光是由不同波長(zhǎng)的電磁波組成的，在光譜分析中，光譜圖將某一恒星發(fā)出的光劃分成不同波長(zhǎng)的光線，從而形成一條彩色帶，我們稱之為光譜圖。恒星中的氣體要吸收某些波長(zhǎng)的光，從而在光譜圖中就會(huì)形成暗的吸收線。每一種元素會(huì)產(chǎn)生特定的吸收線，天文學(xué)家通過(guò)研究光譜圖中的吸收線，可以得知某一恒星是由哪幾種元素組成的。將恒星光譜圖中吸收線的位置與實(shí)驗(yàn)室光源下同一吸收線位置相比較，可以知道該恒星相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的情況。
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