红移现象

红移现象，最初是针对机械波而言的，即一个相对于观察者运动着的物体离得越远发出的声音越浑厚（波长比较长），相反离得越近发出的声音越尖细（波长比较短）。

定义

红移（red shift）

后来，美国天文学家哈勃把一个天体的光谱向长波（红）端的位移叫做多普勒红移。通常认为它是多普勒效应所致，即当一个波源（光波或射电波）和一个观测者互相快速运动时所造成的波长变化。美国天文学家哈勃于1929年确认，遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去，同时，它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加。这一普遍规律称为哈勃定律，它成为星系退行速度及其和地球的距离之间的相关的基础。这就是说，一个天体发射的光所显示的红移越大，该天体的距离越远，它的退行速度也越大。

分类

红移有3种：多普勒红移（由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的）、引力红移（由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的）和宇宙学红移（由于宇宙空间自身的膨胀所造成的）。对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移，具体的见下表：

天体类型	多普勒红移	引力红移	宇宙学红移
行星
恒星
星云
中子星
白矮星

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通常引力红移都比较小，只有在中子星或者黑洞周围这一效应才会比较大。对于遥远的星系来说，宇宙学红移是很容易区别的，但是在星系随着空间膨胀远离我们的时候，由于其自身的运动，在宇宙学红移中也会掺杂进多普勒红移。

一般说来，为了从其他红移中区别引力红移，你可以将这个天体的大小与这个天体质量相同的黑洞的大小进行比较。类似星云和星系这样的天体，它们的半径是相同质量黑洞半径的千亿倍，因此其红移的量级也大约是静止频率的千亿分之一。对于普通的恒星而言，它们的半径是同质量黑洞半径的十万倍左右，这已经接近目前光谱观测分辨率的极限了。中子星和白矮星的半径大约是同质量黑洞半径的10和3000倍，其引力红移的量级可以达到静止波长的

和

。

宇宙学红移在100个百万秒差距的尺度上是非常明显的。但是对于比较近的星系，由于星系本身在星系团中的运动所造成的多普勒红移和宇宙学红移的量级差不多，你必须仔细的区别开这两者。通常星系在星系团中的速度为

，这大约与在50个百万秒差距处的星系的退行速度相当。

详解

天体的光或者其他电磁辐射可能由于三种效应被拉伸而使波长变长。因为红光的波长比蓝光的长，所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端，于是全部三种过程都被称为‘红移’。

第一类红移在1842年由布拉格大学的数学教授克里斯琴·多普勒做了说明，它是由运动引起的。当一个物体，比如一颗恒星，远离观测者而运动时，其光谱将显示相对于静止恒星光谱的红移，因为运动恒星将它朝身后发射的光拉伸了。类似地，一颗朝向观测者运动的恒星的光将因恒星的运动而被压缩，这意味着这些光的波长较短，因而称它们蓝移了。目前为止，恒星都出现红移，说明宇宙在膨胀。

一个运动物体发出的声波的波长(声调)也有与此完全相似的变化。朝向你运动的物体发出的声波被压缩，因而声调较高；离你而去的物体的声波被拉伸，因而声调较低。任何遇到过急救车或其他警车警笛长鸣擦身而过的人对以上两种情况都不会陌生。声波和电磁辐射的上述现象都叫做多普勒效应。

多普勒效应引起的红移和蓝移的测量使天文学家得以计算出恒星的空间运动有多快，而且还能够测定，比如说，星系的自转方式。天体红移的量度是用红移引起的相对变化表示，称为z。如果

，则表示波长增加了10%，等等。只要所涉及的速率远低于光速，z也将等于运动天体的速率除以光速。所以，0.1的红移意味着恒星以

的光速远离我们而去。

1914年，工作在洛韦尔天文台的维斯托·斯里弗发现，15个称为旋涡星云(现在叫做星系)的天体中有11个的光都显示红移。1922年，威尔逊山天文台的埃德温·哈勃和米尔顿·哈马逊进行了更多的类似观测。哈勃首先确定了星云是和银河系一样的另外的星系。然后，他们发现大量星系的光都有红移。到了1929年，哈勃主要通过将红移和视亮度的比较，确立了星系的红移与它们到我们的距离成正比的关系(现在称为哈勃定律)。这个定律仅对很少几个在空间上离银河系最近的星系不成立，例如仙女座星系的光谱显示的是蓝移。

起初，遥远星系的红移被解释成星系在空间运动的多普勒效应，似乎它们全都是由于以银河系为中心的一次爆炸而四散飞开。但很快就意识到，这种膨胀早已隐含在发现哈勃定律之前十几年发表的广义相对论方程式之中。当阿尔伯特·爱因斯坦本人1917年首次应用那些方程式导出关于宇宙的描述(宇宙模型)时，它发现方程式要求宇宙必须处于运动状态——要么膨胀，要么收缩。方程式排除了稳定模型存在的可能性。由于当时无人知晓宇宙是膨胀的，于是爱因斯坦在方程式中引入一个虚假的因子，以保持模型静止；他后来说这是他一生‘最大的失误’。

去掉那个虚假因子后，爱因斯坦方程式能准确描述哈勃观测到的现象。方程式表明，宇宙应该膨胀，这并不是因为星系在空间运动，而是星系之间的虚无空间(严格说是时空)在膨胀。这种宇宙学红移的产生，是因为遥远星系的光在其传播途中被膨胀的空间拉开了，而且拉开的程度与空间膨胀的程度一样。

由于红移正比于距离，这就给宇宙学家提供了一个测量宇宙的衡量标准。量竿必须通过测量较近星系来校准，虽然这种校准还有一些不确定性(见宇宙距离尺度)，但它仍然是宇宙学唯一最重要的发现。没有测量距离的方法，宇宙学家就不可能真正开始认识宇宙的本质，而哈勃定律的准确性表明，广义相对论是关于宇宙如何运转的极佳描述。

由于历史原因，星系的红移仍然用速度来表示，尽管天文学家知道红移并非由通过空间的运动所引起。一个星系的距离等于它的红移‘速度’除以一个常数，这个常数叫做哈勃常数，它的数值大约是60公里每秒每百万秒差距，这意味着星系和我们之间距离的每一个百万秒差距将引起60公里每秒的红移速度。对我们的最近邻居来说，宇宙学红移是很小的，而像仙女座星系那样的星系显示的蓝移确实是它们的空间运动造成的多普勒效应蓝移。遥远星系团(犹如一群蜜蜂)中的星系显示围绕某个中间值的红移扩散度；这个中间值就是该星系团的宇宙学红移，而对于中间值的偏差则是星系在星系团内部的运动引起的多普勒效应。

哈勃定律是唯一的红移/距离定律(稳定宇宙除外)，不论从宇宙中的哪个星系来观测，这个定律‘看起来都是一样’的。每个星系(非常近的邻居除外)退离另一个星系的运动都遵循这条定律，膨胀是没有‘中心’的。这种情形通常比作画在气球表面的斑点，当气球吹胀时，斑点彼此分开更远，这是因为气球壁膨胀了，而不是因为斑点在气球表面上移动了。从任意一个斑点进行的测量将证明，所有其他斑点的退行是均匀的，完全遵守哈勃定律。

当红移大到相当于大约

以上光速时，红移的计算就必须考虑狭义相对论的要求。所以红移等于2并不表示天体的宇宙学‘速度’是光速的两倍。事实上，

对应的宇宙学速度等于光速的80%。已知最遥远类星体的红移稍稍大于4，对应的‘速度’刚刚超过光速的90%；星系红移的最高记录属于一个叫做

的天体，其红移值等于4.25。宇宙微波背景辐射的红移是1,000。

第三类红移是由引力引起的，而且也是爱因斯坦的广义相对论所阐明的。从一颗恒星向外运动的光是在恒星的引力场中做‘登山’运动，因而它将损失能量。当一个物体，比如火箭，在引力场中向上运动时，它损失能量并减速(这就是为什么火箭发动机必须点火才能将它推人轨道的原因)。但光不可能减速；光永远以比300,000公里每秒小一点点的同一速率c传播。既然光损失能量时不减速，那就只有增加波长，也就是红移。

原理上，逃离太阳的光，甚至地球上的火把向上发出的光，都有这种引力红移。但是，只有在如白矮星表面那样的强引力场中，引力红移才大到可测的程度。黑洞可以看成是引力场强大到使试图逃离它的光产生无穷大红移的物体。

所有三类红移可能同时起作用。如果我们的望远镜非常灵敏，能够看见遥远星系中的白矮星的话，那么白矮星光的红移将是多普勒红移、宇宙学红移和引力红移的联合效果。

大多数类星体的红移大于1。如果把类星体红移z解释为多普勒红移，则退行速度v可由下式算出：

式中

为光速，

时，

可达到

。（这里是不是有问题，z要达到多少才能超光速？)

红移是河外天体共有的特征。因此，绝大多数天文学家认为，类星体是河外星体。红移-视星等关系的统计的结果表明：哈勃定律对于河外星系是适用的。就是说，它们的红移是宇宙学红移，它们的距离是宇宙学距离，它们的红移和视星等是统计相关的。可是，对类星体来说，红移和视星等的统计相关性很差，这就产生了两个彼此相关的问题：类星体的红移是否就是宇宙学红移，类星体的距离是否就是宇宙学的距离。大多数天文学家认为，类星体的红移是宇宙学红移。因此，红移反映了类星体的退行，而且符合哈勃定律。按照这种看法，作为一种天体类型而言，类星体是人类迄今为止观测到的最遥远的天体。持这种观点的人认为，类星体红移-视星等的统计相关性很差的原因，在于类星体的绝对星等弥散太大。如果按照一定的标准将类星体分类，对某种类型的类星体进行红移-视星等统计，则相关性便会显著提高。支持宇宙学红移的观测事实还有：已发现三个类星体分别位于三个星系团里，而这些类星体的红移和星系团的红移差不多；类星体与某些激扰星系（如塞佛特星系）很类似；蝎虎座BL型天体是一种在形态上类似恒星的天体，以前认为它们是银河系内的变星，现已确定，它们是遥远的河外天体。

少数天文学家认为类星体的红移不是宇宙学红移。这种观点所依据的观测事实有：某些类星体和亮星系（它们的红移相差很大）的抽样统计结果表明，它们之间存在一定的统计相关性；某些类星体（如马卡良星系205）似乎同亮星系之间有物质桥联系，而二者的红移相差极大。持这种观点的人对红移提出过一些解释。例如，认为类星体是银河系或其附近星系抛出来的，因此认为类星体红移是多普勒红移，而不是宇宙学红移。也有人认为，类星体红移是大质量天体的引力红移。还有一些理论认为类星体的红移可能是某种未知的物理规律造成的，这就向近代物理学提出了所谓的红移挑战。

意义

红移定律已为后来的研究证实，并为认为宇宙膨胀的现代相对论宇宙学理论提供了基石。上个世纪60年代初以来，天文学家发现了类星体，它们的红移比以前观测到的最遥远的星系的红移都更大。各种各样的类星体的极大的红移使我们认为，它们均以极大的速度（即接近光速的90%）远离地球而去；还使我们设想，它们是宇宙中距离最遥远的天体。

换句话说，由于多普勒红移现象的存在，从这个意义上来讲，宇宙不是无限的，而是有界的，即天体红移的速度等于光速的地带就是宇宙的边缘和界限了，超过了这个界限，也就超过了光速，光线也就因此永远无法达到我们的视界，那就不是我们这个世界了，到底是怎样只有上帝才知道。

现在，根据科学测定，宇宙的年龄大约是150亿年，这个既是它的年龄（时间），其实也是它的空间长度，即150亿光年是我们观察太空理论上能达到的最远距离了，我们现在看到的距离地球150亿光年的地方恰恰就是宇宙诞生时的镜像。150亿年前，在大爆炸的起点，时间和空间获得的最完美的统一，那一点（或那一刻）即是我们整个宇宙的开端。

光是由不同波长的电磁波组成的，在光谱分析中，光谱图将某一恒星发出的光划分成不同波长的光线，从而形成一条彩色带，我们称之为光谱图。恒星中的气体要吸收某些波长的光，从而在光谱图中就会形成暗的吸收线。每一种元素会产生特定的吸收线，天文学家通过研究光谱图中的吸收线，可以得知某一恒星是由哪几种元素组成的。将恒星光谱图中吸收线的位置与实验室光源下同一吸收线位置相比较，可以知道该恒星相对地球运动的情况。