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紅移現(xiàn)象
天文學(xué)現(xiàn)象之一
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 |
| 所屬國家 | 美國 |
| 領(lǐng)域 | 天文學(xué) |
定義
紅移（red shift）
后來，美國天文學(xué)家哈勃把一個天體的光譜向長波（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)一個波源（光波或射電波）和一個觀測者互相快速運動時所造成的波長變化。美國天文學(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，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，一個天體發(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）。對于不同的研究對象，牽涉到不同的紅移，具體的見下表：
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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)才會比較大。對于遙遠(yuǎn)的星系來說，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)離我們的時候，由于其自身的運動，在宇宙學(xué)紅移中也會摻雜進多普勒紅移。
一般說來，為了從其他紅移中區(qū)別引力紅移，你可以將這個天體的大小與這個天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進行比較。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，因此其紅移的量級也大約是靜止頻率的千億分之一。對于普通的恒星而言，它們的半徑是同質(zhì)量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經(jīng)接近目前光譜觀測分辨率的極限了。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，其引力紅移的量級可以達(dá)到靜止波長的
和
。
詳解
天體的光或者其他電磁輻射可能由于三種效應(yīng)被拉伸而使波長變長。因為紅光的波長比藍(lán)光的長，所以這種拉伸對光學(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·多普勒做了說明，它是由運動引起的。當(dāng)一個物體，比如一顆恒星，遠(yuǎn)離觀測者而運動時，其光譜將顯示相對于靜止恒星光譜的紅移，因為運動恒星將它朝身后發(fā)射的光拉伸了。類似地，一顆朝向觀測者運動的恒星的光將因恒星的運動而被壓縮，這意味著這些光的波長較短，因而稱它們藍(lán)移了。目前為止，恒星都出現(xiàn)紅移，說明宇宙在膨脹。
一個運動物體發(fā)出的聲波的波長(聲調(diào))也有與此完全相似的變化。朝向你運動的物體發(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。任何遇到過急救車或其他警車警笛長鳴擦身而過的人對以上兩種情況都不會陌生。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)移的測量使天文學(xué)家得以計算出恒星的空間運動有多快，而且還能夠測定，比如說，星系的自轉(zhuǎn)方式。天體紅移的量度是用紅移引起的相對變化表示，稱為z。如果
，則表示波長增加了10%，等等。只要所涉及的速率遠(yuǎn)低于光速，z也將等于運動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的維斯托·斯里弗發(fā)現(xiàn)，15個稱為旋渦星云(現(xiàn)在叫做星系)的天體中有11個的光都顯示紅移。1922年，威爾遜山天文臺的埃德溫·哈勃和米爾頓·哈馬遜進行了更多的類似觀測。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)。這個定律僅對很少幾個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動的多普勒效應(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。但很快就意識到，這種膨脹早已隱含在發(fā)現(xiàn)哈勃定律之前十幾年發(fā)表的廣義相對論方程式之中。當(dāng)阿爾伯特·愛因斯坦本人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，它發(fā)現(xiàn)方程式要求宇宙必須處于運動狀態(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)時無人知曉宇宙是膨脹的，于是愛因斯坦在方程式中引入一個虛假的因子，以保持模型靜止；他后來說這是他一生‘最大的失誤’。
去掉那個虛假因子后，愛因斯坦方程式能準(zhǔn)確描述哈勃觀測到的現(xiàn)象。方程式表明，宇宙應(yīng)該膨脹，這并不是因為星系在空間運動，而是星系之間的虛無空間(嚴(yán)格說是時空)在膨脹。這種宇宙學(xué)紅移的產(chǎn)生，是因為遙遠(yuǎn)星系的光在其傳播途中被膨脹的空間拉開了，而且拉開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)家提供了一個測量宇宙的衡量標(biāo)準(zhǔn)。量竿必須通過測量較近星系來校準(zhǔn)，雖然這種校準(zhǔn)還有一些不確定性(見宇宙距離尺度)，但它仍然是宇宙學(xué)唯一最重要的發(fā)現(xiàn)。沒有測量距離的方法，宇宙學(xué)家就不可能真正開始認(rèn)識宇宙的本質(zhì)，而哈勃定律的準(zhǔn)確性表明，廣義相對論是關(guān)于宇宙如何運轉(zhuǎn)的極佳描述。
由于歷史原因，星系的紅移仍然用速度來表示，盡管天文學(xué)家知道紅移并非由通過空間的運動所引起。一個星系的距離等于它的紅移‘速度’除以一個常數(shù)，這個常數(shù)叫做哈勃常數(shù)，它的數(shù)值大約是60公里每秒每百萬秒差距，這意味著星系和我們之間距離的每一個百萬秒差距將引起60公里每秒的紅移速度。對我們的最近鄰居來說，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)移確實是它們的空間運動造成的多普勒效應(yīng)藍(lán)移。遙遠(yuǎn)星系團(猶如一群蜜蜂)中的星系顯示圍繞某個中間值的紅移擴散度；這個中間值就是該星系團的宇宙學(xué)紅移，而對于中間值的偏差則是星系在星系團內(nèi)部的運動引起的多普勒效應(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星系來觀測，這個定律‘看起來都是一樣’的。每個星系(非常近的鄰居除外)退離另一個星系的運動都遵循這條定律，膨脹是沒有‘中心’的。這種情形通常比作畫在氣球表面的斑點，當(dāng)氣球吹脹時，斑點彼此分開更遠(yuǎn)，這是因為氣球壁膨脹了，而不是因為斑點在氣球表面上移動了。從任意一個斑點進行的測量將證明，所有其他斑點的退行是均勻的，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，紅移的計算就必須考慮狹義相對論的要求。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。事實上，
對應(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，對應(yīng)的‘速度’剛剛超過光速的90%；星系紅移的最高記錄屬于一個叫做
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，而且也是愛因斯坦的廣義相對論所闡明的。從一顆恒星向外運動的光是在恒星的引力場中做‘登山’運動，因而它將損失能量。當(dāng)一個物體，比如火箭，在引力場中向上運動時，它損失能量并減速(這就是為什么火箭發(fā)動機必須點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公里每秒小一點點的同一速率c傳播。既然光損失能量時不減速，那就只有增加波長，也就是紅移。
原理上，逃離太陽的光，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引力場中，引力紅移才大到可測的程度。黑洞可以看成是引力場強大到使試圖逃離它的光產(chǎn)生無窮大紅移的物體。
所有三類紅移可能同時起作用。如果我們的望遠(yuǎn)鏡非常靈敏，能夠看見遙遠(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)計的結(jié)果表明：哈勃定律對于河外星系是適用的。就是說，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)計相關(guān)的。可是，對類星體來說，紅移和視星等的統(tǒng)計相關(guān)性很差，這就產(chǎn)生了兩個彼此相關(guān)的問題：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到的最遙遠(yuǎn)的天體。持這種觀點的人認(rèn)為，類星體紅移-視星等的統(tǒng)計相關(guān)性很差的原因，在于類星體的絕對星等彌散太大。如果按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將類星體分類，對某種類型的類星體進行紅移-視星等統(tǒng)計，則相關(guān)性便會顯著提高。支持宇宙學(xué)紅移的觀測事實還有：已發(fā)現(xiàn)三個類星體分別位于三個星系團里，而這些類星體的紅移和星系團的紅移差不多；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。這種觀點所依據(jù)的觀測事實有：某些類星體和亮星系（它們的紅移相差很大）的抽樣統(tǒng)計結(jié)果表明，它們之間存在一定的統(tǒng)計相關(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。持這種觀點的人對紅移提出過一些解釋。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
紅移定律已為后來的研究證實，并為認(rèn)為宇宙膨脹的現(xiàn)代相對論宇宙學(xué)理論提供了基石。上個世紀(jì)60年代初以來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體，它們的紅移比以前觀測到的最遙遠(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；還使我們設(shè)想，它們是宇宙中距離最遙遠(yuǎn)的天體。
換句話說，由于多普勒紅移現(xiàn)象的存在，從這個意義上來講，宇宙不是無限的，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，超過了這個界限，也就超過了光速，光線也就因此永遠(yuǎn)無法達(dá)到我們的視界，那就不是我們這個世界了，到底是怎樣只有上帝才知道。
現(xiàn)在，根據(jù)科學(xué)測定，宇宙的年齡大約是150億年，這個既是它的年齡（時間），其實也是它的空間長度，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的鏡像。150億年前，在大爆炸的起點，時間和空間獲得的最完美的統(tǒng)一，那一點（或那一刻）即是我們整個宇宙的開端。
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