譜線頻移的鑒別方法
總述
在前面我們已經探討了宇宙中遙遠星系所發(fā)出的光在我們觀測上可能會存在三種頻移,這三種頻移單獨觀察一個譜線是無論如何也不能進行區(qū)分的。那么是不是就沒有辦法了呢?當然不,以下方法可以將譜線的三種頻移分辯開來。
傳遞波的介質或者距離效應所導致的紅移
(暫時針對機械波)
波的傳遞介質或者距離效應所導致的頻移其原因是由于傳遞波的介質在對光的能量傳遞過程中所形成的能量損耗所造成,因此在關系式上,可以表達成光衰減的頻率同光傳遞的距離成正比??梢员硎緸椋?/span>
其中表示我們觀測到的頻率,為標準譜線的頻率,△為光線通過確定空間長度后所衰減的頻率,它和距離長度成正比。如果我們將上圖中的譜線橫線當作譜線坐標的話,那么我們會看到譜線均勻的橫向移動,每一條實際觀測的譜線都會在標準譜線系圖上橫移△。如圖:
圖中顏色較淡的豎線,表示我們實際觀測到的發(fā)生頻移的譜線系。較深的豎線表示標準的譜線系。當然,在對遙遠星系的觀測過程中,我們得到一個譜線系是不容易的,因為光線強度是非常小的。其實,只要在實際的觀測中觀測到到任意兩條譜線,那么就可以采用這種比較的方法來得到結果。
宇宙天體和地球相對運動速度導致多普勒紅移
多普勒頻移僅和觀測者和光源的相對速度有關,那么多普勒的表達形式為:
由于觀測者和光源之間的相對速度在不同的譜線中是相同的,因此可以簡單的表達成=k,其中k等于。
我們可以看到,多普勒頻移和距離效應存在著本質的區(qū)別,這種區(qū)別就是在譜線系的標準圖上和我們觀測到的譜線系,其譜線的位置的變換為=k。如圖:
(關于這個圖并不是標準的,在譜線位置的關系上也是不對的,這里僅僅為了說明觀測到的多普勒紅移在標準的譜線系上的比較存在區(qū)別,只要注意采用觀測譜線和標準譜線之間的關系很容易鑒定,那么這個圖則是次要的了。) 空間中的物質導致的紅移
空間中的物質所導致的紅移除了星際分子原子物質和光發(fā)生的康普頓散射之外,其它的就是帶電粒子和光發(fā)生的作用了。但由于前面的多普勒頻移是簡單的譜線移動,那么這就提供了一種簡單的鑒別兩種紅移的方法。
如果將宇宙中的媒質采用統(tǒng)計的方法,可以將媒質當作異種均勻的各向同性的分子原子物質處理。但是對帶電粒子處理則不能采用這樣的方法,因為帶電粒子的運動速度在空間中的分布應該符合一種統(tǒng)計的分布。光子和這些帶電粒子的作用所引起的譜線頻移則要采用統(tǒng)計分布的原則了。
頻率高的光和介質發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要多一些,頻移相對的要大一些。相反,頻率低的光和介質發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要小一些,頻移相對的也要小一些。那么這就存在這樣一種趨勢,就是光經過大量的多普勒散射之后,頻率分布會趨向均勻,換句話說,將會趨向于連續(xù)譜線。帶電粒子和光線的作用也是相似的。譜線系的結構在我們觀測上將會模糊或者消失。當然,這依賴于光線通過的距離。如果是光線通過的距離是無限的,那么我們所觀測到的則必然是某種連續(xù)譜線。這一點很容易和上兩種譜線頻移的原因區(qū)分開。