使用者4702081250896452019-12-29 19:57:59

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。因為紅光的波長比藍光的長，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·多普勒做了說明，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，這意味著這些光的波長較短，因而稱它們藍移了。 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，因而聲調較高；離你而去的物體的聲波被拉伸，因而聲調較低。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，比如說，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，則表示波長增加了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的紅移意味著恆星以1/10的光速遠離我們而去。 1914年，工作在洛韋爾天文臺的維斯托·斯里弗發現，15個稱為旋渦星雲（現在叫做星系）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，哈勃主要透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（現在稱為哈勃定律）。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匯出關於宇宙的描述（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；他後來說這是他一生‘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（嚴格說是時空）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。量竿必須透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），但它仍然是宇宙學惟一最重要的發現。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透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。 哈勃定律是惟一的紅移/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，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高達0。9c。 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。就是說，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，對類星體來說，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，作為一種天體型別而言，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，對某種型別的類星體進行紅移-視星等統計，則相關性便會顯著提高。支援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裡，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絡，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丟擲來的，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。萊垍頭條