紅移現象

紅移（Redshift）

紅移現象是多普勒頻移的一種，對應的還有藍移現象。光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恆星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恆星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。

紅移現象，最初是針對機械波而言的，即一個相對於觀察者運動着的物體離得越遠發出的聲音越雄壯（波長比較長），相反離得越近發出的聲音越淒涼（波長比較短）。

後來，美國天文學家哈勃把一個天體的光譜向低頻（紅）端的位移叫做多普勒紅移。通常認為它是多普勒效應所致，即當一個波源（光波或射電波）和一個觀測者互相快速運動時所造成的頻率變化。美國天文學家哈勃於1929年確認，遙遠的星系均遠離我們地球所在的銀河系而去，同時，它們的紅移隨着它們的距離增大而成正比地增加。這一普遍規律稱為哈勃定律，它成為星系退行速度及其和地球的距離之間的相關的基礎。這就是説，一個天體發射的光所顯示的紅移越大，該天體的距離越遠，它的退行速度也越大。

輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移(blue shift)）。在運動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低（紅移(red shift)）。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循着觀測方向運動的速度。恆星光譜線的位移顯示恆星循着觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現象（包括光波）都存在多普勒效應。

紅移有3種：多普勒紅移（由於輻射源在固定的空間中遠離我們所造成的）、引力紅移（由於光子擺脱引力場向外輻射所造成的）和宇宙學紅移（由於宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對於不同的研究對象，牽涉到不同的紅移，具體的見下表：

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才會比較大。對於遙遠的星系來説，宇宙學紅移是很容易區別的，但是在星系隨着空間膨脹遠離我們的時候，由於其自身的運動，在宇宙學紅移中也會摻雜進多普勒紅移。

一般説來，為了從其他紅移中區別引力紅移，你可以將這個天體的大小與這個天體質量相同的黑洞的大小進行比較。類似星雲和星系這樣的天體，它們的半徑是相同質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。對於普通的恆星而言，它們的半徑是同質量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經接近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量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級可以達到靜止頻率的1/10和1/1000。

宇宙學紅移在100個百萬秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對於比較近的星系，由於星系本身在星系團中的運動所造成的多普勒紅移和宇宙學紅移的量級差不多，你必須仔細的區別開這兩者。通常星系在星系團中的速度為3000m/s，這大約與在50個百萬秒差距處的星系的退行速度相當。

天體的光或者其他電磁輻射可能由於三種效應被拉伸而使波長變長，頻率降低。因為紅光的頻率比藍光的低，所以這種拉伸對光學波段光譜特徵的影響是將它們移向光譜的紅端，於是全部三種過程都被稱為‘紅移’。

第一類紅移在1842年由布拉格大學的數學教授克里斯琴·多普勒做了説明，它是由運動引起的。當一個物體，比如一顆恆星，遠離觀測者而運動時，其光譜將顯示相對於靜止恆星光譜的紅移，因為運動恆星將它朝身後發射的光拉伸了。類似地，一顆朝向觀測者運動的恆星的光將因恆星的運動而被壓縮，這意味着這些光的頻率較高，因而稱它們藍移了。恆星都出現紅移，説明宇宙在膨脹。

對於機械波而言，一個運動物體發出的聲波的波長(聲調)也有與此完全相似的變化。朝向你運動的物體發出的聲波被壓縮，因而聲調較淒涼（波長較短）；離你而去的物體的聲波被拉伸，因而聲調較雄壯（波長較長）。任何遇到過諸如汽車擦身而過加上自身樂感比較強的人，對以上兩種情況都不會陌生。聲波和電磁輻射的上述現象都叫做多普勒效應。

多普勒效應引起的紅移和藍移的測量使天文學家得以計算出恆星的空間運動有多快，而且還能夠測定，比如説，星系的自轉方式。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z=0.1，則表示頻率降低了10%，等等。只要所涉及的速率遠低於光速，z也將等於運動天體的速率除以光速。所以，0.1的紅移意味着恆星以1/10的光速遠離我們而去。

1914年，工作在洛韋爾天文台的維斯托·斯里弗發現，15個稱為旋渦星雲(2021年叫做星系)的天體中有11個的光都顯示紅移。1922年，威爾遜山天文台的埃德温·哈勃和米爾頓·哈馬遜進行了更多的類似觀測。哈勃首先確定了星雲是和銀河系一樣的另外的星系。然後，他們發現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係(2021年稱為哈勃定律)。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移。

起初，遙遠星系的紅移被解釋成星系在空間運動的多普勒效應，似乎它們全都是由於以銀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現哈勃定律之前十幾年發表的廣義相對論方程式之中。當阿爾伯特·愛因斯坦本人1917年首次應用那些方程式導出關於宇宙的描述(宇宙模型)時，它發現方程式要求宇宙必須處於運動狀態——要麼膨脹，要麼收縮。方程式排除了穩定模型存在的可能性。由於當時無人知曉宇宙是膨脹的，於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；他後來説這是他一生‘最大的失誤’。

去掉那個虛假因子後，愛因斯坦方程式能準確描述哈勃觀測到的現象。方程式表明，宇宙應該膨脹，這並不是因為星系在空間運動，而是星系之間的虛無空間(嚴格説是時空)在膨脹。這種宇宙學紅移的產生，是因為遙遠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。

由於紅移正比於距離，這就給宇宙學家提供了一個測量宇宙的衡量標準。量竿必須通過測量較近星系來校準，雖然這種校準還有一些不確定性(見宇宙距離尺度)，但它仍然是宇宙學重要的發現。沒有測量距離的方法，宇宙學家就不可能真正開始認識宇宙的本質，而哈勃定律的準確性表明，廣義相對論是關於宇宙如何運轉的極佳描述。

由於歷史原因，星系的紅移仍然用速度來表示，儘管天文學家知道紅移並非由通過空間的運動所引起。一個星系的距離等於它的紅移‘速度’除以一個常數，這個常數叫做哈勃常數，它的數值大約是60公里每秒每百萬秒差距，這意味着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説，宇宙學紅移是很小的，而像仙女座星系那樣的星系顯示的藍移確實是它們的空間運動造成的多普勒效應藍移。遙遠星系團(猶如一羣蜜蜂)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紅移，而對於中間值的偏差則是星系在星系團內部的運動引起的多普勒效應。

哈勃定律是紅移/距離定律(穩定宇宙除外)，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，當氣球吹脹時，斑點彼此分開更遠，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。

當紅移大到相當於大約1/3以上光速時，或者説紅移量z大於0.1時，紅移的計算就必須考慮狹義相對論的要求。所以紅移等於2並不表示天體的宇宙學‘速度’是光速的兩倍。事實上，z=2對應的宇宙學速度等於光速的80%。已知最遙遠類星體的紅移稍稍大於4，對應的‘速度’剛剛超過光速的90%；星系紅移的最高記錄屬於一個叫做8C1435+63的天體，其紅移值等於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。從一顆恆星向外運動的光是在恆星的引力場中做‘登山’運動，因而它將損失能量。當一個物體，比如火箭，在引力場中向上運動時，它損失能量並減速(這就是為什麼火箭發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，那就只有降低頻率，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。如果我們的望遠鏡非常靈敏，能夠看見遙遠星系中的白矮星的話，那麼白矮星光的紅移將是多普勒紅移、宇宙學紅移和引力紅移的聯合效果。

大多數類星體的紅移大於1。如果把類星體紅移z解釋為多普勒紅移，則退行速度v可由下式算出：

式中c為光速，z=3.5時，v可達到0.9c。(這裏是不是有問題，z要達到多少才能超光速？)

紅移是河外天體共有的特徵。因此，絕大多數天文學家認為，類星體是河外星體。紅移-視星等關係的統計的結果表明：哈勃定律對於河外星系是適用的。就是説，它們的紅移是宇宙學紅移，它們的距離是宇宙學距離，它們的紅移和視星等是統計相關的。可是，對類星體來説，紅移和視星等的統計相關性很差，這就產生了兩個彼此相關的問題：類星體的紅移是否就是宇宙學紅移，類星體的距離是否就是宇宙學的距離。大多數天文學家認為，類星體的紅移是宇宙學紅移。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的天體。持這種觀點的人認為，類星體紅移-視星等的統計相關性很差的原因，在於類星體的絕對星等彌散太大。如果按照一定的標準將類星體分類，對某種類型的類星體進行紅移-視星等統計，則相關性便會顯著提高。支持宇宙學紅移的觀測事實還有：已發現三個類星體分別位於三個星系團裏，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；蠍虎座BL型天體是一種在形態上類似恆星的天體，以前認為它們是銀河系內的變星，現已確定，它們是遙遠的河外天體。

少數天文學家認為類星體的紅移不是宇宙學紅移。這種觀點所依據的觀測事實有：某些類星體和亮星系（它們的紅移相差很大）的抽樣統計結果表明，它們之間存在一定的統計相關性；某些類星體（如馬卡良星系205）似乎同亮星系之間有物質橋聯繫，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，認為類星體是銀河系或其附近星系拋出來的，因此認為類星體紅移是多普勒紅移，而不是宇宙學紅移。也有人認為，類星體紅移是大質量天體的引力紅移。還有一些理論認為類星體的紅移可能是某種未知的物理規律造成的，這就向近代物理學提出了所謂的紅移挑戰。

紅移定律已為後來的研究證實，併為認為宇宙膨脹的現代相對論宇宙學理論提供了基石。上個世紀60年代初以來，天文學家發現了類星體，它們的紅移比以前觀測到的最遙遠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為，它們均以極大的速度（即接近光速的90%）遠離地球而去；還使我們設想，它們是宇宙中距離最遙遠的天體。

換句話説，由於多普勒紅移現象的存在，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於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，光線也就因此永遠無法達到我們的視界，那就不是我們這個世界了，到底是怎樣只有上帝才知道。

2021年，根據科學測定，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到的最遠距離了，我們2021年看到的距離地球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，時間和空間獲得的統一，那一點（或那一刻）即是我們整個宇宙的開端。

光是由不同頻率的電磁波組成的，在光譜分析中，光譜圖將某一恆星發出的光劃分成不同頻率的光線，從而形成一條彩色帶，我們稱之為光譜圖。恆星中的氣體要吸收某些頻率的光，從而在光譜圖中就會形成暗的吸收線。每一種元素會產生特定的吸收線，天文學家通過研究光譜圖中的吸收線，可以得知某一恆星是由哪幾種元素組成的。將恆星光譜圖中吸收線的位置與實驗室光源下同一吸收線位置相比較，可以知道該恆星相對地球運動的情況。