宇宙学红移

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指当光穿过一段空间时,空间自身发生的延展。在目前研究的各种天体中,被认为具有宇宙学红移的对象主要是远近各类星系。但事实上,只有对于相当遥远的星系(因而也是相当大型的),才能容易地将宇宙学红移与其它干扰相区分。因为离我们越近的天体自行越大,造成近距离星系的宇宙学红移无法与Doppler红移相区。要辨识引力红移,目前用得最多的方法是将对象天体的尺度与其黑洞半径作比较。星云、星系通常万亿倍大于它们的黑洞半径,所以,它们引力红移的大小约为原辐射频率的万亿分之一(这是目前实验装置根)本观测不到的)。普通恒星的半径通常只比它的黑洞半径大十万倍,所以,它表面辐射的引力红移接近于能被观测到的极限,也即十万分之一。至于中子星和白矮星,相应的是1/10和1/1000的原辐射频率。至于宇宙学红移,正如上所说,只有到十亿秒差距(三十亿光年)那么遥远才能清晰地被观察到。对于近距离天体,例如仙女座大星云,它围绕着本星系群的质心做300km/sec的绕行,这个速度与距离五百万秒差距的退行速度相同,而仙女座大星云本身离我们只有80万秒差距。
中文名
宇宙学红移
假说起源
1842年
证实时间
1845年
证实人
斐索
工    具
转动的镜片
公    式
λf = c

宇宙学红移简史

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这个主题的发展开始于19世纪对波动力学现象的探索,因而连结到了都卜勒效应。稍后,因为克里斯琴·安德烈·都卜勒在1842年对这种现象提出了物理学上的解释,而被称为都卜勒效应[5]。他的假说在1845年被荷兰的科学家Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot用声波做实验而获得证实。都卜勒预言这种现象可以应用在所有的波上,并且指出恒星的颜色不同可能是由于它们相对于地球的运动速度不同而引起的。后来这个推论被否认。恒星呈现不同的颜色是因为温度不同,而不是运动速度不同。
都卜勒红移是法国物理学家斐索在1848年首先发现的,他指出恒星谱线位置的移动是由于都卜勒效应,因此也称为「都卜勒-斐索效应」。1868年,英国天文学家威廉·哈金斯首次次测出了恒星相对于地球的运动速度。
在1871年,利用太阳的自转测出在可见光太阳光谱的夫朗和斐谱线在红光有0.1 Å的位移。在1901年,Aristarkh Belopolsky在实验室中利用转动的镜片证明了可见光的红移。
在1912年开始的观测, Vesto Slipher发现绝大多数的螺旋星云都有不可忽视的红移。 然后,埃德温·哈勃发现这些星云(现在知道是星系)的红移和距离有关联性,也就是哈勃定律。 这些观察在今天被认为是造成宇宙膨胀大爆炸理论的强而有力证据。

宇宙学红移测量、特性和解释

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红移可以经由单一光源的光谱进行测量(参考上面理想化的光谱例证图)。如果在光谱中有一些特征,可以是吸收线、发射线、或是其他在光密度上的变化,那么原则上红移就可以测量。这需要一个有相似特征的光谱来做比较,例如,原子中的氢,当他发出光线时,有明确的特征谱线,一系列的特色谱线都有一定间隔的。如果有这种特性的谱线型态但在不同的波长上被比对出来,那么这个物体的红移就能测量了。因此,测量一个物体的红移,只需要频率或是波长的范围。只观察到一些孤立的特征,或是没有特征的光谱,或是白噪音(一种相当无序杂乱的波),是无法计算红移的。
红移(和蓝移)可能会在天体被观测的和辐射的波长(或频率)而带有不同的变化特征,天文学习惯使用无因次的数量z来表示。如果λ代表波长,f代表频率(注意:λf = c,此处的c是光速),那么z可以由下面的公式来定义:
红移的测量, z以波长为基础以频率为基础
在z被测量后,红移和蓝移的差别只是间单的正负号的区别。依据下一章节的机制,无论被观察到的是红移或蓝移,都有一些基本的说明。例如,都卜勒效应的蓝移(z < 0)会联想到物体朝向观测者接近并且能量增加,反过来说都卜勒红移(z > 0),就会联想到物体远离观测者而去并且能量减少。同样的,爱因斯坦效应的蓝移可以联想到光线进入强引力场,而爱因斯坦效应的红移是离开引力场。

宇宙学红移机制

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一个光子在真空中传播可以有几种不同的红移机制,每一种机制都能产生类似都卜勒红移的现象,意谓着z是与波长无关的。这些机制分别使用伽利略、罗伦兹、或相对论转换在各个参考架构之间来比较。
红移摘要红移型式转换的架构所在度规定义[15]
都卜勒红移伽利略转换欧几里得度规
相对论的都卜勒罗伦兹转换闵考斯基度规
宇宙论的红移广义相对论转换FRW度规
重力红移广义相对论转换史瓦兹旭尔得度规}-

宇宙学红移多普勒效应

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如果一个光源是远离观测者而去,那么会发生红移(z > 0),当然,如果光源是朝向观测者移动,便会产生蓝移(z < 0)。这对所有的电磁波都适用,而且可以用都卜勒效应解释。当然的结果是,这种形式的红移被称为都卜勒红移。如果光源远离观测者的速度是v,忽略掉相对论的效应,红移可以表示为:
此处c是光速,在古典的都卜勒效应,光源的的频率是无需修正的,但是退行会造成低频的错觉。
对于声波等机械波,也有这样的效应。即,波源向观察者运动时,观察者接受到的波的频率变高;波源离开时则反之。

宇宙学红移分类

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光源相对观测者的运动导致红移和蓝移都卜勒红移:物体和观察者之间的相对运动可以导致红移,与此相对应的红移称为多普勒红移,是由多普勒效应引起的。
重力红移:根据广义相对论,光从重力场中发射出来时也会发生红移的现象。这种红移称为重力红移。
宇宙学红移:20世纪初,美国天文学家埃德温·哈勃发现,观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀,使天体发出的光波被拉长,谱线因此「变红」,这称为宇宙学红移,并由此得到哈勃定律。 20世纪60年代发现了一类具有极高红移值的天体——类星体,成为近代天文学中非常活跃的研究领域。
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理学 学科 天文