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基本信息
| 中文名 | 星系紅移 |
| 外文名 | Galaxy redshift |
| 又稱 | 多普勒效應 |
| 意思 | 星系遠去而去時光譜發(fā)生紅移 |
紅移原理
紅移就是星體光源的頻率不變的條件下觀測點觀測到的頻率發(fā)生了變化。大家又叫他多普勒效應。
多普勒效應
宇宙間的一切物質都在運動中。遙遠的星系也在運動著，它們都在遠離我們而去。例如，室女座星系團正以大約每秒1210公里的速度離開我們，后發(fā)座星系團約以每秒6700公里的速度離開我們，武仙座星系團約以每秒l0300公里的速度飛奔而去，而北冕座星系團離開我們的速度更大，大約每秒21600公里。星系為什么要離開我們？我們又是怎么知道它們在運動呢？
應用領域
多普勒效應不僅適用于聲波，而且也適用于光波。一個高速運動的光源發(fā)出的光到達我們眼睛時，其波長和頻率也發(fā)生了變化，也就是說它的顏色會有所改變。雖然天文學家可以利用這一原理測量天體的運動，但是在一般情況下，天體相對于觀測者的運動速度與光速相比是微不足道的，因此光源顏色的變化很難測定。
星系是巨大的恒星集團，但由于它們離我們非常遙遠，每個星系往往只能在大望遠鏡拍攝的底片上看到一個微弱的光點。第一個觀測和測定星系光譜的天文學家是美國洛韋爾天文臺的斯里弗。l912—1925年，他拍攝了40個星系的光譜照片，除了兩個星系外，其余都呈現(xiàn)波長偏長的多普勒頻移，即向光譜的紅端位移，所測得的離去速度高得驚人，最高達5700公里/秒。
研究進展
1929年，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)，在宇宙空間不僅幾乎所有的星系都具有譜線紅移現(xiàn)象，而且還存在著星系的紅移量與該星系的距離成正比的關系，也就是說，越遠的星系正在以越快的速度飛馳而去，這被稱為哈勃定律。
有了哈勃定律，天文學家通過觀測星系的譜線紅移量，求出星系的視向速度，進而得出它們的距離。例如，一個以1700公里/秒的速度遠離我們而去的星系，其距離約1億光年；一個以17000公里/秒的速度遠離我們而去的星系，其距離約10億光年。目前已觀測到的最遠星系，正以與光速相差無幾的速度遠離我們而去，其距離達100多億光年。為什么星系都在離我們而去呢？
紅移的本質是什么？為什么會存在哈勃定律？這些問題已經(jīng)爭論了半個多世紀了，但一直未能得到圓滿的解釋，因而成了天文學里的老大難問題。
在哈勃定律發(fā)表前兩年，比利時天文學家勒梅特就提出了宇宙膨脹的概念。1930年，英國天文學家愛丁頓把勒梅特的模型和哈勃定律聯(lián)系起來，稱宇宙為膨脹的宇宙。1932年勒梅特進一步提出現(xiàn)在觀測到的宇宙是一個巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末，在發(fā)現(xiàn)了太陽的巨大能源來自熱核反應后，美國物理學家伽英夫把宇宙膨脹論和基本粒子的運動聯(lián)系起來，提出了熱大爆炸宇宙學。他認為宇宙起源于高溫、高密度的，“原始火球”的一次大爆炸。在熱大爆炸模型提出后的一段時間內，很少有人關心它。直到1965年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了3K微波背景輻射（也稱宇宙背景輻射）后，才使大爆炸學說一躍成為最有影響的學說．隨著其他研究者的后繼測量，宇宙背景輻射已成為大爆炸模型有效性的有力見證，成為考慮宇宙中大足度流動的有用的“絕對框架”，還因其表現(xiàn)的各向同性，成為發(fā)表星系形成理論的重要約束。
天文學家認為，所謂宇宙大爆炸，并不能想象為高密度高能量的宇宙物質在爆炸后，高速沖向早已存在的空虛的空間之中，如果這樣，原爆炸中心將會留下一個逐漸增大的空洞。同時，爆炸時輻射比物質走得快，結果爆炸時發(fā)出的所有輻射就會與物質分離。實際上這兩種現(xiàn)象都不存在，因此宇宙大爆炸必須想象為空間本身自大爆炸開始以光速膨脹。
大爆炸學說比較自然地說明了許多觀測現(xiàn)象，而且理論和觀測結果比較好地相符。但是也遇到了一些問題，其中最突出的是“原始火球”是從哪里來的？有的天文學家認為：起初宇宙是極其稀薄的氣體，由于萬有引力的作用，逐漸收縮成一團超密物質。然后再爆炸，經(jīng)過膨脹階段，而重新歸于稀薄，稀薄得簡直和絕對真空相差無兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿的這個非常短暫的時期中。自然，以后還可以再收縮，再爆炸，再膨脹。1965年，美國天文學家桑得奇甚至估計這種“脈動宇宙”每振蕩一次大約需要800多億年。這種理論是現(xiàn)實，還是“神話”，目前還不能輕易下結論。
有一種解釋認為：，發(fā)出光譜的天體因本身的物理狀態(tài)不同而產(chǎn)生紅移。例如由于星系那里引力特別大，因此發(fā)出的光譜中紅移特別大，這叫做引力紅移。引力紅移是廣義相對論的預言之一。根據(jù)廣義相對論，當一個觀察者從遠離引力場的地方，觀測處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的光的時候，譜線會向長波方向移動，移動量與輻射源和觀測者兩處引力勢差的大小成正比。這種效應最初是在白矮星中得到證實的。但根據(jù)引力理論計算的結果來看，引力對紅移的影響很小，不足以說明觀測到的星系紅移現(xiàn)象。
另一種解釋則認為光線與傳播途中物質相互作用產(chǎn)生紅移。光線由星系發(fā)出之后，要經(jīng)過若干萬光年才能到達地球，光在長途傳播中要穿透許多星系際介質區(qū)域，光和介質發(fā)生了某種相互作用，使光譜產(chǎn)生紅移。星系越遠，途中遇到．的介質就越多，因而紅移也就越大，但光與介質相遇如何相互作用而產(chǎn)生紅移，還沒有令人滿意的解釋。
還有一種解釋是光線本身變化而產(chǎn)生紅移。光線在幾千萬年的傳播之中，光子發(fā)生了老化，波長變長而出現(xiàn)了紅移，由此推斷越遠的星系光線走得越久，所以看到的紅移也越大。這一假說沒有得到實驗的證實。
正當星系紅移問題鬧得不可開交的時候，60年代又出現(xiàn)了類星體的紅移現(xiàn)象，使問題變得越發(fā)復雜了。根據(jù)對類星體物理性質的研究。可以肯定，類星體是河外天體。屬于星系這一層次。既然如此．它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行并滿足哈勃定律呢？要直接驗證這一點是困難的，因為至今還沒法求出類星體的距離。對類星體進行統(tǒng)計，結果發(fā)現(xiàn)在紅移—視星等圖上，它們的分布毫無規(guī)律，這到底是什么原因呢？
大多數(shù)天文學家堅持認為：類星體的紅移是宇宙紅移，即紅移反映了退行，而且紅移和距離之間存在著哈勃關系。證據(jù)是類星體的物理性質與某些活動星系很類似，而活動星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外，已發(fā)現(xiàn)幾個類星體分別很靠近某個基系團或就在星系團內，而且類星體與星系團的紅移近似相等。還發(fā)現(xiàn)某些類星體很靠近一些星系，而類星體和星系的紅移也大致相同。他們認為，類星體在紅移—視星等圖上之所以彌散，是由于類基體的絕對星等彌散太大，而不是因為哈勃定律不成立。
少數(shù)天文學家認為類星體紅移不是宇宙學的。對某些類星體和亮星系進行抽樣統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)有些互相成協(xié)(即聯(lián)在一起)的星系或成協(xié)的星系和類星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發(fā)現(xiàn)有些類星體的光譜中，其吸收線的紅移量與發(fā)射線的紅移量互不相同，而且不同的吸收線還有各不相同的紅移量，即多重紅移。而成協(xié)天體的不同紅移和同一天體的多重紅移，都是用多普勒效應無法解釋的，必須尋找新的紅移機制。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數(shù)變化等紅移機制外，還有一種所謂的“橫向多普勒效應”。類星體的巨大紅移可能說明它的橫向速度很大。
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