小編整理: 紅移是一種在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域中觀察到的現(xiàn)象,指的是物體的電磁輻射波長增加,導(dǎo)致光譜的譜線朝紅色端移動。這種現(xiàn)象通常與天體的移動以及規(guī)律的預(yù)測相關(guān)。通過紅移的研究,我們可以了解天體的運(yùn)動模式和距離關(guān)系,這對于宇宙學(xué)研究具有重要的意義。紅移不僅在理論上有深入的研究,也有廣泛的實(shí)際應(yīng)用,例如在天文觀測、
宇宙探索 和物理學(xué)的基本問題等方面。
紅移 用于預(yù)測天體移動及規(guī)律的現(xiàn)象
紅移在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域,指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現(xiàn)象,在可見光波段,表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離,即波長變長、頻率降低。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動及規(guī)律的預(yù)測上。
簡介 紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發(fā)現(xiàn)的,隨著對 電磁波譜 各個波段的了解逐步深入,任何電磁輻射的波長增加都可以稱為紅移。對于波長較短的 γ射線 、X-射線和紫外線等波段,波長變長確實(shí)是波譜向紅光移動,“紅移”的命名并無問題;而對于波長較長的紅外線、微波和無線電波等波段,盡管波長增加實(shí)際上是遠(yuǎn)離紅光波段,這種現(xiàn)象還是被稱為“紅移”。 而 多普勒紅移 的現(xiàn)象最早是在19世紀(jì)所預(yù)測并觀察到的,當(dāng)時的部分科學(xué)家認(rèn)為光的本質(zhì)是一種波。另一種紅移機(jī)制被用于解釋在遙遠(yuǎn)的星系、 類星體 ,星系間的 氣體云 的光譜中觀察到的 紅移現(xiàn)象 。紅移增加的比例與距離成正比。這種關(guān)系為宇宙膨脹的觀點(diǎn)提供了有力的支持,比如大爆炸宇宙模型。 另一種紅移稱為 宇宙學(xué)紅移 ,其機(jī)制為空間的度規(guī)膨脹。這機(jī)制說明了在遙遠(yuǎn)的星系、類星體,星系間的氣體云的光譜中觀察到的紅移現(xiàn)象,其紅移增加的比例與距離成正比。這種關(guān)系為宇宙膨脹的觀點(diǎn)提供了有力的支持,比如大爆炸宇宙模型。 另一種形式的紅移是 引力紅移 ,其為一種相對論性效應(yīng),當(dāng)電磁輻射傳播遠(yuǎn)離引力場時會觀測到這種效應(yīng);反過來說,當(dāng)電磁輻射傳播接近引力場時會觀測到引力 藍(lán)移 ,其波長變短、頻率升高。 紅移的大小由“紅移值”衡量,紅移值用Z表示,定義為:
這里 是譜線原先的波長, 是觀測到的波長, 是譜線原先的頻率, 是觀測到的頻率。
類別 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。
多普勒紅移 1.由于多普勒效應(yīng),從離開我們而去的恒星發(fā)出的光線的光譜向紅光光譜方向移動。
2.一個天體的光譜向長波(紅)端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由于運(yùn)動、引力效應(yīng)等被拉伸而使波長變長。因?yàn)榧t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,于是這些過程被稱為紅移。
3.在高光譜遙感領(lǐng)域的紅移。在植被的光譜曲線中,遭脅迫的植物的紅-紅外透射曲線向更長波長方向移動(Cibula和Carter, 1992)的現(xiàn)象稱為“紅端偏移”簡稱“紅移”
簡單的說,就是700納米波長范圍的拐點(diǎn)向長波方向移動(如右圖曲線)。
引力紅移 引力紅移,是強(qiáng)引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象。由 廣義相對論 可推知,當(dāng)從遠(yuǎn)離引力場的地方觀測時,處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的譜線,其波長會變長一些,也就是紅移。只有在引力場特別強(qiáng)的情況下,引力造成的紅移量才能被檢測出來。引力紅移現(xiàn)象首先在引力場很強(qiáng)的 白矮星 (因?yàn)榘装潜砻娴囊^強(qiáng))上檢測出來。二十世紀(jì)六十年代,龐德、雷布卡和斯奈德采用 穆斯堡爾效應(yīng) 的實(shí)驗(yàn)方法,測量由地面上高度相差22.6米的兩點(diǎn)之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動,定量地驗(yàn)證了引力紅移。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值完全符合!
區(qū)別
多普勒紅移 物體和觀察者之間的相對運(yùn)動可以導(dǎo)致紅移,與此相對應(yīng)的紅移稱為多普勒紅移,是由多普勒效應(yīng)引起的。
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(yùn)動,在宇宙學(xué)紅移中也會參雜進(jìn)多普勒紅移。
引力紅移 根據(jù)廣義相對論,光從重力場中發(fā)射出來時也會發(fā)生紅移的現(xiàn)象。這種紅移稱為 重力紅移 。 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(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 。
宇宙學(xué)紅移 20世紀(jì)初,美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn),觀測到的絕大多數(shù)星系的光譜線存在紅移現(xiàn)象。這是由于宇宙空間在膨脹,使天體發(fā)出的光波被拉長,譜線因此“變紅”,這稱為宇宙學(xué)紅移,并由此得到 哈勃定律 。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)了一類具有極高紅移值的天體——類星體,成為近代天文學(xué)中非常活躍的研究領(lǐng)域。 宇宙學(xué)紅移在100個 百萬秒差距 的尺度上是非常明顯的。但是對于比較近的星系,由于星系本身在 星系團(tuán) 中的運(yùn)動所造成的多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移的量級差不多,你必須仔細(xì)的別開這兩者。通常星系在星系團(tuán)中的速度為 ,這大約與在5個百萬秒差距處的星系的退行速度相當(dāng)。
發(fā)展歷程 這個主題的發(fā)展開始于19世紀(jì)對 波動力學(xué) 現(xiàn)象的探索,因而連結(jié)到了 多普勒效應(yīng)。 稍后,因?yàn)榭死锼骨佟ぐ驳铝摇ざ嗥绽赵?842年對這種現(xiàn)象提出了物理學(xué)上的解釋,而被稱為多普勒效應(yīng)。他的假說在1845年被荷蘭的科學(xué)家ChristophHendrikDiederikBuysBallot用聲波做實(shí)驗(yàn)而獲得證實(shí)。多普勒預(yù)言這種現(xiàn)象可以應(yīng)用在所有的波上,并且指出恒星的顏色不同可能是由于它們相對于地球的運(yùn)動速度不同而引起的。后來這個推論被否認(rèn)。恒星呈現(xiàn)不同的顏色是因?yàn)闇囟炔煌?,而不是運(yùn)動速度不同。
多普勒紅移是法國物理學(xué)家 斐索 在1848年首先發(fā)現(xiàn)的,他指出恒星譜線位置的移動是由于多普勒效應(yīng),因此也稱為“多普勒-斐索效應(yīng)”。1868年,英國 天文學(xué)家 威廉·哈金斯 首次測出了恒星相對于地球的運(yùn)動速度。 在1871年,利用太陽的自轉(zhuǎn)測出在可見光太陽光譜的 夫朗和斐譜線 在紅光有0.1埃的位移。在1901年,AristarkhBelopolsky在實(shí)驗(yàn)室中利用轉(zhuǎn)動的鏡片證明了可見光的紅移。 在1912年開始的觀測,VestoSlipher發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的 螺旋星云 都有不可忽視的紅移。然后,哈勃定律。這些觀察在今天被認(rèn)為是造成宇宙膨脹 大霹靂 理論的強(qiáng)而有力證據(jù)。
機(jī)制原理 一個 光子 在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機(jī)制,每一種機(jī)制都能產(chǎn)生類似多普勒紅移的現(xiàn)象,意謂著z是與波長無關(guān)的。這些機(jī)制分別使用 伽利略 、洛倫茲、或相對論轉(zhuǎn)換在各個參考架構(gòu)之間來比較。 紅移型式
轉(zhuǎn)換的架構(gòu)
所在度規(guī)
多普勒紅移
伽利略轉(zhuǎn)換
相對論的多普勒
洛倫茲轉(zhuǎn)換
閔可夫斯基度規(guī)
宇宙論的紅移
廣義相對論轉(zhuǎn)換
FRW度規(guī)
重力紅移
廣義相對論轉(zhuǎn)換
多普勒效應(yīng) 如果一個光源是遠(yuǎn)離觀測者而去,那么會發(fā)生紅移 ,當(dāng)然,如果光源是朝向觀測者移動,便會產(chǎn)生藍(lán)移 。這對所有的電磁波都適用,而且可以用多普勒效應(yīng)解釋。當(dāng)然的結(jié)果是,這種形式的紅移被稱為多普勒紅移。 相對論的多普勒效應(yīng)更完整的多普勒紅移需要考慮相對論的效應(yīng),特別是在速度接近 光速 的情況下。簡單的說,物體的運(yùn)動接近光速時需要將 狹義相對論 介紹的時間擴(kuò)張因素羅倫茲轉(zhuǎn)換因子γ引入古典的多普勒公式 中,改正后的形式如下: 這種現(xiàn)象最早是在1938年赫伯特 E艾凡斯和GR.史迪威進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中被觀察到的,稱為艾凡斯-史迪威實(shí)驗(yàn)。 由于羅倫茲因子只與速度的量值有關(guān),這使得紅移與相對論的相關(guān)只獨(dú)立地與來源的運(yùn)動取向有關(guān)。在對照時,古典這一部分的形式只與來源的運(yùn)動投影在視線方向上的分量有關(guān),因此在不同的方向上會得到不同的結(jié)果。同樣的,一個運(yùn)動方向與觀測者之間有θ的角度(正對著觀測者時角度為0),完整相對論的多普勒效應(yīng)形式為:
而正對著觀測者的運(yùn)動物體 ,公式可以簡化為: 在特殊的狀況下,運(yùn)動源與測器成直角 ,相對性的紅移為橫向紅移,被測量到的紅移,會使觀測者認(rèn)為物體沒有移動。即時來源是朝向觀測者運(yùn)動,如果有橫向的分量,那么在這個方向上的速度可以擴(kuò)張到抵消預(yù)期中的藍(lán)移,而且如果速度更高的還會使接近的來源呈現(xiàn)紅移。
膨脹的宇宙 在20世紀(jì)初期,史立佛、 哈勃 和其他人,首度測量到銀河系之外星系的紅移和藍(lán)移,它們起初很單純的解釋是多普勒效應(yīng)造成的紅移和藍(lán)移,但是稍后哈勃發(fā)現(xiàn)距離和紅移之間有著粗略的關(guān)聯(lián)性,距離越遠(yuǎn)紅移的量也越大。理論學(xué)者幾乎立刻意識到這些觀察到的紅移可以用另一個不同的機(jī)制來解釋,哈勃定律就是紅移和距離之間交互作用的關(guān)聯(lián)性,需要使用廣義相對論空間尺度擴(kuò)張的宇宙論模型來解釋。結(jié)果是,光子在通過擴(kuò)張的空間時被延展,產(chǎn)生了宇宙學(xué)紅移。這與多普勒效應(yīng)所描述的因速度增加所產(chǎn)生的紅移不同(這是羅倫茲轉(zhuǎn)換),在光源和觀測者之間不是因?yàn)閯恿亢湍芰康霓D(zhuǎn)換,取代的是光子因?yàn)榻?jīng)過膨脹的空間使波長增加而紅移。這種效應(yīng)在現(xiàn)代的宇宙論模型中被解釋為可以觀測到與時間相關(guān)聯(lián)的宇宙尺度因次(a),如下的形式: 這種型態(tài)的紅移稱為宇宙學(xué)紅移或 哈勃紅移 。如果宇宙是收縮而不是膨脹,我們將觀測到星系以相同比例的藍(lán)移取代紅移。這些星系不是以實(shí)際的速度遠(yuǎn)離觀測者而去,取代的是在其間的空間延展,這造成了大尺度下宇宙論原則所需要的各向同性的現(xiàn)象。在宇宙學(xué)紅移 的情況下,時空擴(kuò)展的作用對星系所造成的獨(dú)特效應(yīng)與被觀察到的紅移,相對于多普勒效應(yīng)的紅移和藍(lán)移是極微小的。實(shí)際的速度和空間膨脹的之間的區(qū)別在膨脹的橡皮板宇宙有清楚的說明,一般的宇宙學(xué)也曾經(jīng)描述過類似的空間擴(kuò)展。如果以滾珠軸承來代表兩個物體,以有彈性的橡皮墊代表時空,多普勒效應(yīng)是軸承橫越過橡皮墊產(chǎn)生的獨(dú)特運(yùn)動,宇宙學(xué)紅移則是橡皮墊向下沉陷的柱狀體的沉陷量。(很明顯的在模型上會有維度的問題,當(dāng)軸承滾動時應(yīng)該是在橡皮墊上,而如果兩個物體的距離夠遠(yuǎn)時宇宙學(xué)紅移的速度會大于多普勒效應(yīng)的速度。) 盡管速度是由分別由多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移共同造成的,天文學(xué)家(特別是專業(yè)的)有時會以“退行速度”來取代在 膨脹宇宙 中遙遠(yuǎn)的星系的紅移,即使很明顯的只是視覺上的退行。影響所及,在大眾化的講述中經(jīng)常會以“多普勒紅移”而不是“宇宙學(xué)紅移”來描述受到時空擴(kuò)張影響下的星系運(yùn)動,而不會注意到在使用相對論的場合下計(jì)算的“宇宙學(xué)退行速度”不會與多普勒效應(yīng)的速度相同。明確的說,多普勒紅移只適用于狹義相對論,因此v>c是不可能的;而相對的,在宇宙學(xué)紅移中v>c是可能的,因?yàn)榭臻g會使物體(例如,從地球觀察類星體)遠(yuǎn)離的速度超過光速。更精確的,“遙遠(yuǎn)的星系退行”的觀點(diǎn)和“空間在星系之間擴(kuò)展”的觀點(diǎn)可以通過坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來連系。要精確的表達(dá)必須要使用數(shù)學(xué)的羅伯遜-沃克度量。
重力紅移 在廣義相對論的理論中,重力會造成時間的膨脹,這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。這個作用的理論推導(dǎo)從 愛因斯坦方程式 的施瓦氏解,以一顆光子在不帶電、不轉(zhuǎn)動、球?qū)ΨQ質(zhì)量的重力場運(yùn)動,產(chǎn)生的紅移: ·M是創(chuàng)造出重力場的質(zhì)量,
·r是觀測者的 徑向坐標(biāo) (這類似于傳統(tǒng)中由中心至觀測者的距離,但實(shí)際是施瓦氏坐標(biāo)) ·c是光速。
重力紅移的結(jié)果可以從狹義相對論和 等效原理 導(dǎo)出,并不需要完整的廣義相對論。 在地球上這種效應(yīng)非常小,但是經(jīng)由莫士包耳效應(yīng)依然可以測量出來,并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗(yàn)證。然而,在黑洞附近就很顯著,當(dāng)一個物體接近 事件視界 時,紅移將變成無限大,他也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度尺度溫度擾動的主要角色。
測量方法 紅移可以經(jīng)由單一光源的光譜進(jìn)行測量。如果在光譜中有一些特征,可以是吸收線、發(fā)射線、
或是其他在光密度上的變化,那么原則上紅移就可以測量。這需要一個有相似特征的光譜來做比較,例如,原子中的氫,當(dāng)它發(fā)出光線時,有明確的特征譜線,一系列的特色譜線都有一定間隔的。如果有這種特性的譜線型態(tài)但在不同的波長上被比對出來,那么這個物體的紅移就能測量了。因此,測量一個物體的紅移,只需要頻率或是波長的范圍。只觀察到一些孤立的特征,或是沒有特征的光譜,或是 白噪音 (一種相當(dāng)無序雜亂的波),是無法計(jì)算紅移的。 紅移(和藍(lán)移)可能會在天體被觀測的和輻射的波長(或頻率)而帶有不同的變化特征,天文學(xué)習(xí)慣使用無因次的數(shù)量z來表示。
在z被測量后,紅移和藍(lán)移的差別只是簡單的 正負(fù)號 的區(qū)別。依據(jù)下一章節(jié)的機(jī)制,無論被觀察到的是紅移或藍(lán)移,都有一些基本的說明。例如,多普勒效應(yīng)的藍(lán)移(z0),就會聯(lián)想到物體遠(yuǎn)離觀測者而去并且能量減少。同樣的,愛因斯坦效應(yīng)的藍(lán)移可以聯(lián)想到光線進(jìn)入強(qiáng)引力場,而愛因斯坦效應(yīng)的紅移是離開引力場。
觀測方法 在天文觀測中可以測量到紅移,因?yàn)樵拥陌l(fā)射光譜和吸收光譜,與在地球上的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的 分光儀 校準(zhǔn)好的光譜比較時,是非常的明顯。當(dāng)從同一個天體上測量到各種不同的吸收和發(fā)射譜線時,z被發(fā)現(xiàn)是一個常數(shù)。雖然來自遙遠(yuǎn)天體的譜線可能會被污染,并且有輕微的變寬,但并不能夠用熱力學(xué)或機(jī)械的行為來解釋?;谶@些和其他的理由,公眾的輿論已經(jīng)將天文學(xué)上觀測到的紅移認(rèn)定是三種類似的多普勒紅移之一,而沒有任何一種假說能如此的振振有詞。 光譜學(xué),用在測量上,比只要簡單的通過特定的濾光器來測定天體亮度的光度學(xué)要困難。當(dāng)測光時,可以利用所有的數(shù)據(jù)(例如, 哈勃深空 視場和哈勃超深空視場),天文學(xué)家依靠的是紅移測光的技術(shù),由于濾光器在某些波長的范圍內(nèi)非常靈敏,依靠這樣的技術(shù)可以假定許多光譜的本質(zhì)隱藏在光源之內(nèi),觀測誤差可以 為級距來排序,并且比分光鏡的更為可靠許多。然而,光度學(xué)無法考慮到紅移的定性描述。例如,一個與太陽相似的光譜,但紅移z=1,最為明亮的是在紅外線的區(qū)域,而非以黃-綠為尖峰的黑體光譜,并且光的強(qiáng)度在經(jīng)過濾光器時將減少二級 。
在本地群的觀測 使用 SOHO衛(wèi)星 的LASCOC1攝影機(jī)觀測到的太陽日冕。這張圖片是以鐵XIV的5308埃譜線經(jīng)都普勒儀觀察日冕中的 電漿 接近與遠(yuǎn)離衛(wèi)星的速度,轉(zhuǎn)移成不同色碼的一幅假色圖。在附近的目標(biāo)(在我們的銀河系內(nèi)的天體)觀測到的紅移幾乎都與相對于視線方向上的速度有關(guān)。觀察這樣的紅移和藍(lán)移,讓天文學(xué)家可以測量速度和分光星的參考質(zhì)量。這種方法是英國天文學(xué)家威廉·哈金斯在1868年最先采用的。相同的,從 光譜儀 中對單獨(dú)的一顆恒星所測得的微量的紅移和藍(lán)移是天文學(xué)家檢測是否有行星 系環(huán)繞著恒星的診斷和測量的方法之一。對紅移更精確的測量被應(yīng)用于日震學(xué)上,藉以精確的測量 太陽光球 的運(yùn)動。紅移也被應(yīng)用于第一次的行星自轉(zhuǎn)速率的測量、 星際云 的速度、星系的自轉(zhuǎn),還有吸積的動力學(xué)呈現(xiàn)在中子星和黑洞的多普勒和重力紅移。 另外,還有各種不同輻射和吸收的溫度造成的 多普勒致寬 -對單一的吸收或輻射譜線造成的紅移和藍(lán)移的效應(yīng)。測量來自不同方向的 氫線 21公分波的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)移,天文學(xué)家能測量出星際氣體的退行速度,揭露出我們 銀河系 的 自轉(zhuǎn)曲線 。相同的測量方法也被應(yīng)用在其他的星系,例如仙女座星系。作為一種診斷的工具,紅移測量在天文學(xué)的分光學(xué)中是最重要的工具之一。
外星系的觀察 宇宙中合于哈勃定律的 天體距離 越遠(yuǎn)就有越大的紅移,因此被觀測到有最大紅移,對應(yīng)于最遙遠(yuǎn)的距離也有最長的回應(yīng)時間的天體是宇宙微波背景輻射,紅移的數(shù)值高達(dá)z=1089(z=0相當(dāng)于現(xiàn)在的時間),在 宇宙年齡 為137億年的狀態(tài)下,相當(dāng)于大爆炸之后379000年的時間。核心像點(diǎn)光源的類星體是“紅移” 最高的天體,是在望遠(yuǎn)鏡改善之前,除了星系之外還能被發(fā)現(xiàn)的其他高紅移天體。被發(fā)現(xiàn)紅移最高的類星體是z=6.4,被證實(shí)紅移最高的星系是z=7.0在尚未經(jīng)確認(rèn)的報(bào)告中顯示,透過 重力透鏡 觀測到的遙遠(yuǎn)星系集團(tuán)有紅移高達(dá)z=10的星系。 對比 本星系群 遙遠(yuǎn),但仍在室女座星系團(tuán)附近,距離為10億 秒差距 左右的星系,紅移與星系的距離是近似成比例的,這種關(guān)系最早是由哈勃發(fā)現(xiàn)的,也就是眾所皆知的哈勃定律。 星系紅移 最早是VestoSlipher大約在1912年發(fā)現(xiàn)的,而哈勃結(jié)合了Slipher的測量成為度量天體距離的另一種方法-哈勃定律。在建基于廣義相對論下被廣泛接受的宇宙模型中,紅移是空間擴(kuò)展的主要結(jié)果:這意味著遙遠(yuǎn)的星系都離我們而去,光離開星系越久,空間的擴(kuò)展也越多,所以光也就被延伸越多,紅移的值也就越大,所以越遠(yuǎn)的看起來就移動的越快。哈勃定律一樣適用 哥白尼原則 ,由于我們通常不知道天體有多明亮,測量紅移會比直接測量距離容易,所以使用哈勃定律就可以得知天體大略的距離。 星系之間的和星系團(tuán)的重力交互作用在正常的哈勃圖上導(dǎo)致值得注意的消散,星系的 本動速度 和在宇宙中的維理天體的迷蹤質(zhì)量相疊加,這種作用導(dǎo)致在附近的星系(像仙女座星系)顯示出藍(lán)移的現(xiàn)象,并且向共同的重心接近,同時星系團(tuán)的紅移圖像 上帝的手指 在作用使本動速度的消散大致成球型的分布。這個增加的組合給了 宇宙學(xué)家 一個單獨(dú)測量質(zhì)量的質(zhì)光比(以太陽的質(zhì)量和光為單位的星系的質(zhì)量與光度比值),是尋找暗物質(zhì)的重要工具。 對更遙遠(yuǎn)的星系,目前的距離和紅移之間的關(guān)連性變得更為復(fù)雜。當(dāng)你看見一個遙遠(yuǎn)的星系,也就是看見相當(dāng)久遠(yuǎn)之前的星系,而那時的宇宙和現(xiàn)在是不同的。在那些早期的時刻,我們期待在俇展的速率上有所不同,原因至少有二個:
最近的觀測卻建議宇宙的擴(kuò)張不僅沒有如同第一點(diǎn)的預(yù)測減速,反而在加速中。這是廣泛的,雖然不是相當(dāng)普遍的,相信這是因?yàn)橛邪滴镔|(zhì)在控制著宇宙的發(fā)展。這樣的宇宙常數(shù)暗示宇宙的最后命運(yùn)不是大擠壓,反而可預(yù)見宇宙將長久存在。(可是在宇宙內(nèi)多數(shù)的物理程序仍然朝向 熱死亡 。) 擴(kuò)張的宇宙是大霹靂理論的中心預(yù)言,如果往前追溯,理論預(yù)測"奇點(diǎn)"的存在,而那時的宇宙有無限大的密度;廣義相對論的理論,大霹靂的理論依據(jù),將不再能適用。最有可能取代的理論據(jù)信是尚未成熟的量子重力學(xué),能在密度變得無窮大之前繼續(xù)適用。
紅移巡天 在先進(jìn)的自動化望遠(yuǎn)鏡和改良的光譜儀合作 之下,以一定數(shù)量星空的紅移當(dāng)成宇宙的投影,通過紅移與角度位置數(shù)據(jù)的結(jié)合,紅移巡天圖可以顯示天空中一定范圍內(nèi)物質(zhì)的立體分布狀態(tài)。這些觀測被用來研究宇宙的宇宙的 大尺度結(jié)構(gòu) , 長城 、許多廣達(dá)5億光年的 超星系團(tuán) ,紅移巡天的檢測提供了戲劇性的大尺度構(gòu)造的例子。 第一次紅移巡天是CfA紅移巡天,開始于1977年,至1982年完成最初的資料 蒐 集。最近的有 2度視場星系紅移巡天 ,測量宇宙在一個部份的大尺度結(jié)構(gòu),量測了22萬個星系的z值,最后的結(jié)果已經(jīng)在2003年6月釋出。(除了描繪星系在大尺度的模型,2度視場也可以估計(jì) 微中子 質(zhì)量的上限。)其他值得重視的研究還有史隆數(shù)位巡天(SDSS),在2005年仍在繼續(xù)進(jìn)行中,目標(biāo)瞄準(zhǔn)在觀測一億個天體。SDSS已經(jīng)觀測到紅移高達(dá)0.4的星系和紅移超過z=6的類星體。深度2紅移巡天使用 凱克望遠(yuǎn)鏡 和新的 “DEIMOS”光譜儀,是深度1計(jì)劃的延續(xù)。深度2是設(shè)計(jì)來研究紅移0.7或更高的黯淡星系,因此可以填補(bǔ)SDSS和2df計(jì)劃的不足。
沃爾夫效應(yīng) 在輻射轉(zhuǎn)換和物理光學(xué)的主題中會總結(jié)電磁輻射中波長和頻率轉(zhuǎn)換可能發(fā)生的現(xiàn)象和交互作
用導(dǎo)致位移的結(jié)果。在這些情況下位移和物理上對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移到物質(zhì)或其他的光子,而不是歸結(jié)于參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變之間。這些轉(zhuǎn)移可以歸結(jié)于凝聚作用(參見沃爾夫效應(yīng))或是來自于 基本粒子 、微粒物質(zhì)、或來自波動的電介質(zhì)媒介被充電,導(dǎo)致電磁輻射的散射。當(dāng)這些現(xiàn)象對應(yīng)于“紅移”或“藍(lán)移”的現(xiàn)象時,是物理的電磁輻射場本身的交互作用或是介入(干預(yù))的物質(zhì)來自參考坐標(biāo)系效應(yīng)的現(xiàn)象。在 天文物理 ,質(zhì)-光交互作用的結(jié)果在輻射場的能量的遷移上通常是紅化而不是紅移,而這個項(xiàng)目通常是保留在前面的效應(yīng)中討論的。 在許多情況下散射會導(dǎo)致輻射的紅化,因?yàn)?/span>熵 會使光子趨向最低能量而減少高能的光子(總 能量守恒 )。除了在小心控制的情況下,散射不會在同一個變化中橫跨整個光譜,換言之,任何一個波長上計(jì)算得到的z只是一個對應(yīng)于波長的函數(shù),而且,來自介質(zhì)的隨機(jī)散射通??赡馨l(fā)生在任何的角度上,而z又是一個散射角的函數(shù)。如果多次的散射發(fā)生,或是散射的粒子在相對的運(yùn)動中,那么通常都會造成譜線的畸變。 在恒星際天文學(xué), 可見光譜 會因?yàn)榇┻^ 星際物質(zhì) 的散射過程出現(xiàn) 星際紅化 —類似于在日出或日落時大氣層造成太陽光偏紅和天空是藍(lán)色的瑞利散射。這種明顯的轉(zhuǎn)移成紅色的現(xiàn)象,是因?yàn)樽V線中的紅色部分沒有被轉(zhuǎn)移成其他的波長,以及額外的黯淡和畸變結(jié)合,這些現(xiàn)象使光子在視線中出現(xiàn)或消失。