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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(yīng) |
| 意思 | 星系遠(yuǎn)去而去時(shí)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(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的頻率發(fā)生了變化。大家又叫他多普勒效應(yīng)。
多普勒效應(yīng)
宇宙間的一切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)中。遙遠(yuǎn)的星系也在運(yùn)動(dòng)著，它們都在遠(yuǎn)離我們而去。例如，室女座星系團(tuán)正以大約每秒1210公里的速度離開我們，后發(fā)座星系團(tuán)約以每秒6700公里的速度離開我們，武仙座星系團(tuán)約以每秒l0300公里的速度飛奔而去，而北冕座星系團(tuán)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?cè)谶\(yùn)動(dòng)呢？
在生活中我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：在火車站站臺(tái)上，一列火車呼嘯著向我們奔來，汽笛的聲調(diào)越來越高，當(dāng)火車離開我們時(shí)，汽笛的聲調(diào)逐漸降低。1842年，著名的奧地利物理學(xué)家多普勒首先闡述了造成這種現(xiàn)象的原因。他指出：聲源相對(duì)觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽到的聲音會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)聲源離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。
應(yīng)用領(lǐng)域
多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，而且也適用于光波。一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的光源發(fā)出的光到達(dá)我們眼睛時(shí)，其波長(zhǎng)和頻率也發(fā)生了變化，也就是說它的顏色會(huì)有所改變。雖然天文學(xué)家可以利用這一原理測(cè)量天體的運(yùn)動(dòng)，但是在一般情況下，天體相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)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(cè)定。
星系是巨大的恒星集團(tuán)，但由于它們離我們非常遙遠(yuǎn)，每個(gè)星系往往只能在大望遠(yuǎn)鏡拍攝的底片上看到一個(gè)微弱的光點(diǎn)。第一個(gè)觀測(cè)和測(cè)定星系光譜的天文學(xué)家是美國(guó)洛韋爾天文臺(tái)的斯里弗。l912—1925年，他拍攝了40個(gè)星系的光譜照片，除了兩個(gè)星系外，其余都呈現(xiàn)波長(zhǎng)偏長(zhǎng)的多普勒頻移，即向光譜的紅端位移，所測(cè)得的離去速度高得驚人，最高達(dá)5700公里/秒。
研究進(jìn)展
1929年，美國(guó)天文學(xué)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(guān)系，也就是說，越遠(yuǎn)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(xué)家通過觀測(cè)星系的譜線紅移量，求出星系的視向速度，進(jìn)而得出它們的距離。例如，一個(gè)以1700公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們而去的星系，其距離約1億光年；一個(gè)以17000公里/秒的速度遠(yuǎn)離我們而去的星系，其距離約10億光年。目前已觀測(cè)到的最遠(yuǎn)星系，正以與光速相差無幾的速度遠(yuǎn)離我們而去，其距離達(dá)100多億光年。為什么星系都在離我們而去呢？
紅移的本質(zhì)是什么？為什么會(huì)存在哈勃定律？這些問題已經(jīng)爭(zhēng)論了半個(gè)多世紀(jì)了，但一直未能得到圓滿的解釋，因而成了天文學(xué)里的老大難問題。
在哈勃定律發(fā)表前兩年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特就提出了宇宙膨脹的概念。1930年，英國(guó)天文學(xué)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(jìn)一步提出現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙是一個(gè)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(yīng)后，美國(guó)物理學(xué)家伽英夫把宇宙膨脹論和基本粒子的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)。他認(rèn)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(shí)間內(nèi)，很少有人關(guān)心它。直到1965年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)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(xué)說一躍成為最有影響的學(xué)說．隨著其他研究者的后繼測(cè)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(dòng)的有用的“絕對(duì)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(xué)家認(rèn)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(zhì)在爆炸后，高速?zèng)_向早已存在的空虛的空間之中，如果這樣，原爆炸中心將會(huì)留下一個(gè)逐漸增大的空洞。同時(shí)，爆炸時(shí)輻射比物質(zhì)走得快，結(jié)果爆炸時(shí)發(fā)出的所有輻射就會(huì)與物質(zhì)分離。實(shí)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(xué)說比較自然地說明了許多觀測(cè)現(xiàn)象，而且理論和觀測(cè)結(jié)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(xué)家認(rèn)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(tuán)超密物質(zhì)。然后再爆炸，經(jīng)過膨脹階段，而重新歸于稀薄，稀薄得簡(jiǎn)直和絕對(duì)真空相差無兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿的這個(gè)非常短暫的時(shí)期中。自然，以后還可以再收縮，再爆炸，再膨脹。1965年，美國(guó)天文學(xué)家桑得奇甚至估計(jì)這種“脈動(dòng)宇宙”每振蕩一次大約需要800多億年。這種理論是現(xiàn)實(shí)，還是“神話”，目前還不能輕易下結(jié)論。
另外一些天文學(xué)家，他們不認(rèn)為星系譜線紅移是由它們的退行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨脹的問題。然而，要在多普勒效應(yīng)之外，再找出紅移的另一種解釋，實(shí)在太困難了，至少?gòu)哪壳翱磥硎沁@樣。
有一種解釋認(rèn)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(duì)論的預(yù)言之一。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)一個(gè)觀察者從遠(yuǎn)離引力場(chǎng)的地方，觀測(cè)處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來的光的時(shí)候，譜線會(huì)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，移動(dòng)量與輻射源和觀測(cè)者兩處引力勢(shì)差的大小成正比。這種效應(yīng)最初是在白矮星中得到證實(shí)的。但根據(jù)引力理論計(jì)算的結(jié)果來看，引力對(duì)紅移的影響很小，不足以說明觀測(cè)到的星系紅移現(xiàn)象。
另一種解釋則認(rèn)為光線與傳播途中物質(zhì)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(dá)地球，光在長(zhǎng)途傳播中要穿透許多星系際介質(zhì)區(qū)域，光和介質(zhì)發(fā)生了某種相互作用，使光譜產(chǎn)生紅移。星系越遠(yuǎn)，途中遇到．的介質(zhì)就越多，因而紅移也就越大，但光與介質(zhì)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(zhǎng)變長(zhǎng)而出現(xiàn)了紅移，由此推斷越遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)的證實(shí)。
正當(dāng)星系紅移問題鬧得不可開交的時(shí)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(fù)雜了。根據(jù)對(duì)類星體物理性質(zhì)的研究?？梢钥隙ǎ愋求w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(yàn)證這一點(diǎn)是困難的，因?yàn)橹两襁€沒法求出類星體的距離。對(duì)類星體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)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(xué)家堅(jiān)持認(rèn)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(guān)系。證據(jù)是類星體的物理性質(zhì)與某些活動(dòng)星系很類似，而活動(dòng)星系已被證明是滿足哈勃定律的。另外，已發(fā)現(xiàn)幾個(gè)類星體分別很靠近某個(gè)基系團(tuán)或就在星系團(tuán)內(nèi)，而且類星體與星系團(tuán)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(rèn)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(duì)星等彌散太大，而不是因?yàn)楣刹怀闪ⅰ?/span>
少數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為類星體紅移不是宇宙學(xué)的。對(duì)某些類星體和亮星系進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)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(yīng)無法解釋的，必須尋找新的紅移機(jī)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(jī)制外，還有一種所謂的“橫向多普勒效應(yīng)”。類星體的巨大紅移可能說明它的橫向速度很大。
上述這些觀點(diǎn)，有的僅僅是假說，有的雖有理論根據(jù)，但并不能很好地解釋類星體的紅移．持非宇宙學(xué)紅移觀點(diǎn)的人認(rèn)為，類量體的紅移是對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的挑戰(zhàn)。
對(duì)星系普遍存在的譜線紅移的觀測(cè)和研究．有力地推動(dòng)了以整個(gè)可觀測(cè)宇宙的結(jié)構(gòu)、起源和演化為課題的現(xiàn)代宇宙學(xué)的迅速發(fā)展。星系紅移的真相一旦被揭開，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)必將有一個(gè)更大的飛躍。
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