红移(红移现象)

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天文小科普:视觉上的多普勒效应——红移和蓝移

红移是指物体向远离地球的方向移动时,它所发出的光波长随之增加。蓝移与红移相反,是指物体向靠近地球方向移动引起的波长减小。

红移和蓝移是多普勒效应的可视版本。你也许已经亲身体会过多普勒效应的影响,最好的例子,就是当一辆正在鸣警笛的车向你驶来时,警笛的音调要远高于它经过并离开你的时候。这种音调的升高,则是与频率的增加相对应的。

多普勒效应也同样适用于光波。当一个物体向靠近我们的方向移动时,光的波长会向光谱的蓝色一端移动;当物体向远离我们的方向移动时,波长则会向红色一端移动。这种变化能够在光谱线上被观察到。

红移和蓝移的图示

遥远星系超星系团光学光谱中的吸收线(右)与太阳光谱中的吸收线(左)相比较 箭头表示红移 波长向红移及以上方向增加(频率减小)

红移与蓝移的历史

多普勒效应是以1842年第一次对这个现象作出物理解释的物理学家,克里斯蒂安·安德烈亚斯·多普勒的姓氏命名的。随后,这个假说在1845年被荷兰科学家克里斯托弗·巴洛特实验证实。

多普勒红移是由法国物理学家阿曼德·斐索在1848年首次提出的。他指出恒星谱线位置的移动与多普勒效应有关,因此,多普勒红移也被称为“多普勒-斐索效应”。1868年,英国天文学家威廉·哈金斯就是运用这个理论,首次测出了恒星相对于地球的运动速度。

在1871年,当利用太阳自转测出在太阳光谱的夫朗和斐谱线有0.1埃的红光位移时,光学红移的理论得到了证实。1901年,阿里斯塔克·别洛波尔斯基在实验室中利用一组旋转的镜子证明了光学红移。

寻找红移

来自遥远物体光源的光谱可以通过光谱学来测量。为了测量出红移,需要找出光谱中的一些特征,比如吸收线、发射线或其他光强的变化。而发现红移后,需要一个有相似特征的光谱来进行比较才能够测量,可以使用宇宙中一个非常常见的元素,氢元素的原子光谱。

在上面的图中,你可以看到两个光谱。一个源自光谱已知的太阳光,一个来自遥远星系的超星系团。当我们比较这两者时,我们可以看到太阳和遥远星系的氢线之间存在着相关性,它们之间唯一不同的是,星系光谱中的吸收线都向红端移动了。这表明红移现象正在发生,这个星系正在远离我们(或者我们正在远离星系)。

红移和蓝移的计算方法

当我们找到一个已知的光谱线时,我们就可以计算出它在光谱中的波长。然后我们就可以通过这个来计算出红移的值。

从上面的图表中,我们可以在656.2nm处找到氢α发射线。然后我们就可以基于观察到的光谱来计算出波长。对于这个例子,观察到的线在675纳米处。这样,我们就可以用一个简单的方程式来计算红移的数值了。

(红移公式)

代入我们所观测到的波长数据:

(使用范例)

z是一个无因次量,其正值表示红移,负值表示蓝移。

红移实例

当今已知红移最高的天体是星系。最可靠的红移来自光谱数据,目前确认的光谱红移最高的星系是IOK-1,红移z=6.96。

(伽玛射线暴GRB 080913)

已观测到最遥远的伽玛射线暴是GRB 080913,它的红移z=6.7。

相关知识

多普勒效应(英语:Doppler effect)是波源和观察者有相对运动时,观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。远方急驶过来的火车鸣笛声变得尖细(即频率变高,波长变短),而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉(即频率变低,波长变长),就是多普勒效应的现象,同样现象也发生在私家车鸣响与火车的敲钟声。

这一现象最初由奥地利物理学家多普勒于1842年发现。荷兰气象学家拜斯·巴洛特在1845年让一队喇叭手站在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏,他在站台上测到了音调的改变。这是科学史上最有趣的实验之一。

多普勒效应从19世纪下半叶起就被天文学家用来测量恒星的视向速度。现已被广泛用来佐证观测天体和人造卫星的运动。

BY: Tim Trott

FY: Beakabuse

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红移现象可以解释宇宙膨胀,那蓝移是什么呢?

当然是有的。在仙女座星系,就存在一个小的蓝移。

给大家一点背景知识,如果你观察来自遥远星系的光时,会发现大部分的光都存在红移现象。换句话说,当我们观察一个星系时,我们知道该星系发出的光的波长是多少,但那只是预期的波长,而我们实际观察到的波长一般比预期的波长要长得多。

你可能知道,我们把星系的红移现象解释为宇宙在膨胀。因此,如果你能把这些星系固定在空间的“结构”上,所有的星系似乎都在远离我们——它们离我们越远,速度就越快。这就是哈勃定律。

一个有效的类比就是,拿一个空气球,在气球上画满圆点来代表星系,假设我们生活在其中的一个圆点上。当你吹气球时,所有的圆点都会远离彼此。离我们最远的移动得就最快。

这个类比与实际宇宙的不同之处在于,尽管由于宇宙膨胀星系越来越远离彼此,但它们本身并非静止不动的。如果我们把气球上的点换成一群蚂蚁就很好理解了。天文学家将静止不动的星系拥有的速度称为“哈勃后退速度”。任何偏离这个方向的运动速度都是它的“本动速度”。

所以,简而言之,如果一个星系的本动速度是朝向我们的,并且大于它的哈勃退行速度,那么它的光就会出现蓝移。这对于像仙女座星系那样离我们很近的星系来说是可能的,但是随着星系离我们越来越远,它们的哈勃后退速度将快到使得它们可能有的任何本动速度都无法超越。因此,当你对宇宙如何膨胀感兴趣时,最好研究遥远的星系。

几乎所有的星系都是红移的,由于哈勃宇宙的膨胀,它们正在远离我们。然而附近有一些星系是蓝移的,除了由于宇宙膨胀而产生的视运动外,星系也有其固有的或特殊的运动,也就是说,无论宇宙膨胀与否,每个星系都在运动,并且都有自己独特的速度。

当星系的移动速度大小为每秒数百公里,移动方向足够通向我们,且所在的区域非常接近我们自己的星系时,这些星系的本动速度(如果它们足够大,足够通向我们)就有可能超过扩张速度,从而导致蓝移。

在可观测的宇宙中大约有数十亿个星系,其中大约有100个已知星系存在蓝移现象。这些星系大多数都在我们自己的星系群中,并且都在彼此的轨道上运行。大多数是矮星系,其中包括仙女座星系、M31等。

z列中的负速度是蓝移星系(向我们移动)。

蓝移

​蓝移是电磁波的波长随频率的增加(能量的增加)而减少,相反的效果被称为红移。在可见光中,就是将颜色从光谱的红色端转移到蓝色端。

​​

落入重力井的物质波(质子、电子、光子等)会变得更有能量,并进行独立于观察者的蓝移。

红移蓝移示意图

当一般将星光的红移被视为是宇宙膨胀的证据时,天文学中同样有很多蓝移现象,例如:

同在本星系群的仙女座星系正在向银河系移动;所以从地球的角度看,仙女座星系发出的光有蓝移现象。

观察螺旋星系时,旋臂朝向地球接近的一端会呈现蓝移(参考塔利-费舍尔关系)。

临近太阳系的巴纳德星就是恒星观察的典型例子。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. physlink- Mike Cahill

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什么是“红移”?

1929年,美国物理学家埃德温·哈勃通过观测恒星的光谱,发现大部分星系都在红移,它们在远离我们而去。而且星系越远,它离开的速度就越快。科学家由此意识到,宇宙可能不是人类之前想象的静止不动,而是在不断膨胀。这是宇宙大爆炸学说的一大佐证。

宇宙背景辐射

图片来源于NASA

那么,红移是什么?

光的波长大小决定了人眼可以看到不同的颜色。人眼可见的一部分光谱,被称为可见光。在可见光的红端之外,是波长更长的红外线、微波以及无线电波;在可见光的蓝端之外,是波长更短的紫外线、X射线以及伽马射线。

不同的恒星具有不同的光谱。现在想象一颗恒星相对于地球是静止不动的,从恒星发出固定波长的光。显然,我们接收到的和发射时的波长一样。

红移(红移现象)插图

如果这颗恒星向我们运动而来,当它发射第二个波峰时离着我们较近,这样两个波峰之间的距离就要比静止时小,而接受到的波长就要比静止时短。反过来,如果恒星离我们越来越远,我们接收到的波长就要比静止时长。也就是说,恒星离开我们而去时,光谱向红端移动(红移);恒星向我们运动时,光谱向蓝端移动(蓝移)。

红移和蓝移

图片来源于维基百科

这种现象也被称为多普勒效应,声波和电磁波也包括在内。当一辆车开着警报器向观察者驶来时,波就向高频率位移,波长越来越短;当其离远离观测者时,波就向低频率移动,波长越来越长。

自然光光谱

图片来源于维基百科

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