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紅移是一種在物理學和天文學領域中觀察到的現(xiàn)象，指的是物體的電磁輻射波長增加，導致光譜的譜線朝紅色端移動。這種現(xiàn)象通常與天體的移動以及規(guī)律的預測相關。通過紅移的研究，我們可以了解天體的運動模式和距離關系，這對于宇宙學研究具有重要的意義。紅移不僅在理論上有深入的研究，也有廣泛的實際應用，例如在天文觀測、宇宙探索和物理學的基本問題等方面。紅移
用于預測天體移動及規(guī)律的現(xiàn)象
紅移在物理學和天文學領域，指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現(xiàn)象，在可見光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動及規(guī)律的預測上。
基本信息
中文名
紅移
外文名
red-shift
應用學科
物理
適用領域
物理學，天文學
分類
多普勒紅移、引力紅移等
別名
多普勒紅移
簡介
紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發(fā)現(xiàn)的，隨著對電磁波譜各個波段的了解逐步深入，任何電磁輻射的波長增加都可以稱為紅移。對于波長較短的γ射線、X-射線和紫外線等波段，波長變長確實是波譜向紅光移動，“紅移”的命名并無問題；而對于波長較長的紅外線、微波和無線電波等波段，盡管波長增加實際上是遠離紅光波段，這種現(xiàn)象還是被稱為“紅移”。
而多普勒紅移的現(xiàn)象最早是在19世紀所預測并觀察到的，當時的部分科學家認為光的本質(zhì)是一種波。另一種紅移機制被用于解釋在遙遠的星系、類星體，星系間的氣體云的光譜中觀察到的紅移現(xiàn)象。紅移增加的比例與距離成正比。這種關系為宇宙膨脹的觀點提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。
當光源移動遠離觀測者時，觀測者觀察到的電磁波譜會發(fā)生紅移，這類似于聲波因為多普勒效應造成的頻率變化。這樣的紅移現(xiàn)象在日常生活中有很多應用，例如多普勒雷達、雷達槍，在天體光譜學里，人們使用多普勒紅移測量天體的物理行為。
另一種紅移稱為宇宙學紅移，其機制為空間的度規(guī)膨脹。這機制說明了在遙遠的星系、類星體，星系間的氣體云的光譜中觀察到的紅移現(xiàn)象，其紅移增加的比例與距離成正比。這種關系為宇宙膨脹的觀點提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。
紅移的大小由“紅移值”衡量，紅移值用Z表示，定義為：
類別
紅移有3種：多普勒紅移（由于輻射源在固定的空間中遠離我們所造成的）、引力紅移（由于光子擺脫引力場向外輻射所造成的）和宇宙學紅移（由于宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對于不同的研究對象，牽涉到不同的紅移。
多普勒紅移
1.由于多普勒效應，從離開我們而去的恒星發(fā)出的光線的光譜向紅光光譜方向移動。
2.一個天體的光譜向長波（紅）端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由于運動、引力效應等被拉伸而使波長變長。因為紅光的波長比藍光的長，所以這種拉伸對光學波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，于是這些過程被稱為紅移。
3.在高光譜遙感領域的紅移。在植被的光譜曲線中，遭脅迫的植物的紅-紅外透射曲線向更長波長方向移動（Cibula和Carter， 1992）的現(xiàn)象稱為“紅端偏移”簡稱“紅移”
簡單的說，就是700納米波長范圍的拐點向長波方向移動（如右圖曲線）。
引力紅移
引力紅移，是強引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象。由廣義相對論可推知，當從遠離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些，也就是紅移。只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。引力紅移現(xiàn)象首先在引力場很強的白矮星（因為白矮星表面的引力較強）上檢測出來。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應的實驗方法，測量由地面上高度相差22.6米的兩點之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動，定量地驗證了引力紅移。結果表明實驗值與理論值完全符合！
區(qū)別
多普勒紅移
物體和觀察者之間的相對運動可以導致紅移，與此相對應的紅移稱為多普勒紅移，是由多普勒效應引起的。
通常引力紅移都比較小，只有在中子星或者黑洞周圍這一效應才會比較大。對于遙遠的星系來說，宇宙學紅移是很容易區(qū)別的，但是在星系隨著空間膨脹遠離我們的時候，由于其自身的運動，在宇宙學紅移中也會參雜進多普勒紅移。
引力紅移
一般說來，為了從其他紅移中區(qū)別引力紅移，你可以將這個天體的大小與這個天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進行比較。類似星云和星系這樣的天體，它們的半徑是相同質(zhì)量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的量級也大約是靜止頻率的千億分之一。對于普通的恒星而言，它們的半徑是同質(zhì)量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經(jīng)接近光譜觀測分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質(zhì)量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級可以達到靜止波長的
宇宙學紅移
20世紀初，美國天文學家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，觀測到的絕大多數(shù)星系的光譜線存在紅移現(xiàn)象。這是由于宇宙空間在膨脹，使天體發(fā)出的光波被拉長，譜線因此“變紅”，這稱為宇宙學紅移，并由此得到哈勃定律。20世紀60年代發(fā)現(xiàn)了一類具有極高紅移值的天體——類星體，成為近代天文學中非?；钴S的研究領域。
宇宙學紅移在100個百萬秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對于比較近的星系，由于星系本身在星系團中的運動所造成的多普勒紅移和宇宙學紅移的量級差不多，你必須仔細的別開這兩者。通常星系在星系團中的速度為
發(fā)展歷程
稍后，因為克里斯琴·安德烈·多普勒在1842年對這種現(xiàn)象提出了物理學上的解釋，而被稱為多普勒效應。他的假說在1845年被荷蘭的科學家ChristophHendrikDiederikBuysBallot用聲波做實驗而獲得證實。多普勒預言這種現(xiàn)象可以應用在所有的波上，并且指出恒星的顏色不同可能是由于它們相對于地球的運動速度不同而引起的。后來這個推論被否認。恒星呈現(xiàn)不同的顏色是因為溫度不同，而不是運動速度不同。
多普勒紅移是法國物理學家斐索在1848年首先發(fā)現(xiàn)的，他指出恒星譜線位置的移動是由于多普勒效應，因此也稱為“多普勒-斐索效應”。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯首次測出了恒星相對于地球的運動速度。
在1912年開始的觀測，VestoSlipher發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的螺旋星云都有不可忽視的紅移。然后，哈勃定律。這些觀察在今天被認為是造成宇宙膨脹大霹靂理論的強而有力證據(jù)。
機制原理
一個光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機制，每一種機制都能產(chǎn)生類似多普勒紅移的現(xiàn)象，意謂著z是與波長無關的。這些機制分別使用伽利略、洛倫茲、或相對論轉換在各個參考架構之間來比較。
紅移型式 | 轉換的架構 | 所在度規(guī) |
多普勒紅移 | 伽利略轉換 | 歐幾里得度規(guī) |
相對論的多普勒 | 洛倫茲轉換 | 閔可夫斯基度規(guī) |
宇宙論的紅移 | 廣義相對論轉換 | FRW度規(guī) |
重力紅移 | 廣義相對論轉換 |
多普勒效應
如果一個光源是遠離觀測者而去，那么會發(fā)生紅移
相對論的多普勒效應更完整的多普勒紅移需要考慮相對論的效應，特別是在速度接近光速的情況下。簡單的說，物體的運動接近光速時需要將狹義相對論介紹的時間擴張因素羅倫茲轉換因子γ引入古典的多普勒公式中，改正后的形式如下：
這種現(xiàn)象最早是在1938年赫伯特E艾凡斯和GR.史迪威進行的實驗中被觀察到的，稱為艾凡斯-史迪威實驗。
由于羅倫茲因子只與速度的量值有關，這使得紅移與相對論的相關只獨立地與來源的運動取向有關。在對照時，古典這一部分的形式只與來源的運動投影在視線方向上的分量有關，因此在不同的方向上會得到不同的結果。同樣的，一個運動方向與觀測者之間有θ的角度（正對著觀測者時角度為0），完整相對論的多普勒效應形式為：
在特殊的狀況下，運動源與測器成直角
膨脹的宇宙
在20世紀初期，史立佛、哈勃和其他人，首度測量到銀河系之外星系的紅移和藍移，它們起初很單純的解釋是多普勒效應造成的紅移和藍移，但是稍后哈勃發(fā)現(xiàn)距離和紅移之間有著粗略的關聯(lián)性，距離越遠紅移的量也越大。理論學者幾乎立刻意識到這些觀察到的紅移可以用另一個不同的機制來解釋，哈勃定律就是紅移和距離之間交互作用的關聯(lián)性，需要使用廣義相對論空間尺度擴張的宇宙論模型來解釋。結果是，光子在通過擴張的空間時被延展，產(chǎn)生了宇宙學紅移。這與多普勒效應所描述的因速度增加所產(chǎn)生的紅移不同（這是羅倫茲轉換），在光源和觀測者之間不是因為動量和能量的轉換，取代的是光子因為經(jīng)過膨脹的空間使波長增加而紅移。這種效應在現(xiàn)代的宇宙論模型中被解釋為可以觀測到與時間相關聯(lián)的宇宙尺度因次（a），如下的形式：
這種型態(tài)的紅移稱為宇宙學紅移或哈勃紅移。如果宇宙是收縮而不是膨脹，我們將觀測到星系以相同比例的藍移取代紅移。這些星系不是以實際的速度遠離觀測者而去，取代的是在其間的空間延展，這造成了大尺度下宇宙論原則所需要的各向同性的現(xiàn)象。在宇宙學紅移
盡管速度是由分別由多普勒紅移和宇宙學紅移共同造成的，天文學家（特別是專業(yè)的）有時會以“退行速度”來取代在膨脹宇宙中遙遠的星系的紅移，即使很明顯的只是視覺上的退行。影響所及，在大眾化的講述中經(jīng)常會以“多普勒紅移”而不是“宇宙學紅移”來描述受到時空擴張影響下的星系運動，而不會注意到在使用相對論的場合下計算的“宇宙學退行速度”不會與多普勒效應的速度相同。明確的說，多普勒紅移只適用于狹義相對論，因此v>c是不可能的；而相對的，在宇宙學紅移中v>c是可能的，因為空間會使物體（例如，從地球觀察類星體）遠離的速度超過光速。更精確的，“遙遠的星系退行”的觀點和“空間在星系之間擴展”的觀點可以通過坐標系統(tǒng)的轉換來連系。要精確的表達必須要使用數(shù)學的羅伯遜-沃克度量。
重力紅移
在廣義相對論的理論中，重力會造成時間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。這個作用的理論推導從愛因斯坦方程式的施瓦氏解，以一顆光子在不帶電、不轉動、球?qū)ΨQ質(zhì)量的重力場運動，產(chǎn)生的紅移：
·M是創(chuàng)造出重力場的質(zhì)量，
·c是光速。
在地球上這種效應非常小，但是經(jīng)由莫士包耳效應依然可以測量出來，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗證。然而，在黑洞附近就很顯著，當一個物體接近事件視界時，紅移將變成無限大，他也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度尺度溫度擾動的主要角色。
測量方法
紅移可以經(jīng)由單一光源的光譜進行測量。如果在光譜中有一些特征，可以是吸收線、發(fā)射線、
或是其他在光密度上的變化，那么原則上紅移就可以測量。這需要一個有相似特征的光譜來做比較，例如，原子中的氫，當它發(fā)出光線時，有明確的特征譜線，一系列的特色譜線都有一定間隔的。如果有這種特性的譜線型態(tài)但在不同的波長上被比對出來，那么這個物體的紅移就能測量了。因此，測量一個物體的紅移，只需要頻率或是波長的范圍。只觀察到一些孤立的特征，或是沒有特征的光譜，或是白噪音（一種相當無序雜亂的波），是無法計算紅移的。
紅移（和藍移）可能會在天體被觀測的和輻射的波長（或頻率）而帶有不同的變化特征，天文學習慣使用無因次的數(shù)量z來表示。
在z被測量后，紅移和藍移的差別只是簡單的正負號的區(qū)別。依據(jù)下一章節(jié)的機制，無論被觀察到的是紅移或藍移，都有一些基本的說明。例如，多普勒效應的藍移（z0），就會聯(lián)想到物體遠離觀測者而去并且能量減少。同樣的，愛因斯坦效應的藍移可以聯(lián)想到光線進入強引力場，而愛因斯坦效應的紅移是離開引力場。
觀測方法
在天文觀測中可以測量到紅移，因為原子的發(fā)射光譜和吸收光譜，與在地球上的實驗室內(nèi)的分光儀校準好的光譜比較時，是非常的明顯。當從同一個天體上測量到各種不同的吸收和發(fā)射譜線時，z被發(fā)現(xiàn)是一個常數(shù)。雖然來自遙遠天體的譜線可能會被污染，并且有輕微的變寬，但并不能夠用熱力學或機械的行為來解釋?；谶@些和其他的理由，公眾的輿論已經(jīng)將天文學上觀測到的紅移認定是三種類似的多普勒紅移之一，而沒有任何一種假說能如此的振振有詞。
光譜學，用在測量上，比只要簡單的通過特定的濾光器來測定天體亮度的光度學要困難。當測光時，可以利用所有的數(shù)據(jù)（例如，哈勃深空視場和哈勃超深空視場），天文學家依靠的是紅移測光的技術，由于濾光器在某些波長的范圍內(nèi)非常靈敏，依靠這樣的技術可以假定許多光譜的本質(zhì)隱藏在光源之內(nèi)，觀測誤差可以
在本地群的觀測
使用SOHO衛(wèi)星的LASCOC1攝影機觀測到的太陽日冕。這張圖片是以鐵XIV的5308埃譜線經(jīng)都普勒儀觀察日冕中的電漿接近與遠離衛(wèi)星的速度，轉移成不同色碼的一幅假色圖。在附近的目標（在我們的銀河系內(nèi)的天體）觀測到的紅移幾乎都與相對于視線方向上的速度有關。觀察這樣的紅移和藍移，讓天文學家可以測量速度和分光星的參考質(zhì)量。這種方法是英國天文學家威廉·哈金斯在1868年最先采用的。相同的，從光譜儀中對單獨的一顆恒星所測得的微量的紅移和藍移是天文學家檢測是否有行星系環(huán)繞著恒星的診斷和測量的方法之一。對紅移更精確的測量被應用于日震學上，藉以精確的測量太陽光球的運動。紅移也被應用于第一次的行星自轉速率的測量、星際云的速度、星系的自轉，還有吸積的動力學呈現(xiàn)在中子星和黑洞的多普勒和重力紅移。
另外，還有各種不同輻射和吸收的溫度造成的多普勒致寬-對單一的吸收或輻射譜線造成的紅移和藍移的效應。測量來自不同方向的氫線21公分波的擴展和轉移，天文學家能測量出星際氣體的退行速度，揭露出我們銀河系的自轉曲線。相同的測量方法也被應用在其他的星系，例如仙女座星系。作為一種診斷的工具，紅移測量在天文學的分光學中是最重要的工具之一。
外星系的觀察
宇宙中合于哈勃定律的天體距離越遠就有越大的紅移，因此被觀測到有最大紅移，對應于最遙遠的距離也有最長的回應時間的天體是宇宙微波背景輻射，紅移的數(shù)值高達z=1089（z=0相當于現(xiàn)在的時間），在宇宙年齡為137億年的狀態(tài)下，相當于大爆炸之后379000年的時間。核心像點光源的類星體是“紅移”
對比本星系群遙遠，但仍在室女座星系團附近，距離為10億秒差距左右的星系，紅移與星系的距離是近似成比例的，這種關系最早是由哈勃發(fā)現(xiàn)的，也就是眾所皆知的哈勃定律。星系紅移最早是VestoSlipher大約在1912年發(fā)現(xiàn)的，而哈勃結合了Slipher的測量成為度量天體距離的另一種方法-哈勃定律。在建基于廣義相對論下被廣泛接受的宇宙模型中，紅移是空間擴展的主要結果：這意味著遙遠的星系都離我們而去，光離開星系越久，空間的擴展也越多，所以光也就被延伸越多，紅移的值也就越大，所以越遠的看起來就移動的越快。哈勃定律一樣適用哥白尼原則，由于我們通常不知道天體有多明亮，測量紅移會比直接測量距離容易，所以使用哈勃定律就可以得知天體大略的距離。
星系之間的和星系團的重力交互作用在正常的哈勃圖上導致值得注意的消散，星系的本動速度和在宇宙中的維理天體的迷蹤質(zhì)量相疊加，這種作用導致在附近的星系（像仙女座星系）顯示出藍移的現(xiàn)象，并且向共同的重心接近，同時星系團的紅移圖像上帝的手指在作用使本動速度的消散大致成球型的分布。這個增加的組合給了宇宙學家一個單獨測量質(zhì)量的質(zhì)光比（以太陽的質(zhì)量和光為單位的星系的質(zhì)量與光度比值），是尋找暗物質(zhì)的重要工具。
對更遙遠的星系，目前的距離和紅移之間的關連性變得更為復雜。當你看見一個遙遠的星系，也就是看見相當久遠之前的星系，而那時的宇宙和現(xiàn)在是不同的。在那些早期的時刻，我們期待在俇展的速率上有所不同，原因至少有二個：
最近的觀測卻建議宇宙的擴張不僅沒有如同第一點的預測減速，反而在加速中。這是廣泛的，雖然不是相當普遍的，相信這是因為有暗物質(zhì)在控制著宇宙的發(fā)展。這樣的宇宙常數(shù)暗示宇宙的最后命運不是大擠壓，反而可預見宇宙將長久存在。（可是在宇宙內(nèi)多數(shù)的物理程序仍然朝向熱死亡。）
擴張的宇宙是大霹靂理論的中心預言，如果往前追溯，理論預測"奇點"的存在，而那時的宇宙有無限大的密度；廣義相對論的理論，大霹靂的理論依據(jù)，將不再能適用。最有可能取代的理論據(jù)信是尚未成熟的量子重力學，能在密度變得無窮大之前繼續(xù)適用。
紅移巡天
在先進的自動化望遠鏡和改良的光譜儀合作之下，以一定數(shù)量星空的紅移當成宇宙的投影，通過紅移與角度位置數(shù)據(jù)的結合，紅移巡天圖可以顯示天空中一定范圍內(nèi)物質(zhì)的立體分布狀態(tài)。這些觀測被用來研究宇宙的宇宙的大尺度結構，長城、許多廣達5億光年的超星系團，紅移巡天的檢測提供了戲劇性的大尺度構造的例子。
第一次紅移巡天是CfA紅移巡天，開始于1977年，至1982年完成最初的資料蒐集。最近的有2度視場星系紅移巡天，測量宇宙在一個部份的大尺度結構，量測了22萬個星系的z值，最后的結果已經(jīng)在2003年6月釋出。（除了描繪星系在大尺度的模型，2度視場也可以估計微中子質(zhì)量的上限。）其他值得重視的研究還有史隆數(shù)位巡天（SDSS），在2005年仍在繼續(xù)進行中，目標瞄準在觀測一億個天體。SDSS已經(jīng)觀測到紅移高達0.4的星系和紅移超過z=6的類星體。深度2紅移巡天使用凱克望遠鏡和新的“DEIMOS”光譜儀，是深度1計劃的延續(xù)。深度2是設計來研究紅移0.7或更高的黯淡星系，因此可以填補SDSS和2df計劃的不足。
沃爾夫效應
在輻射轉換和物理光學的主題中會總結電磁輻射中波長和頻率轉換可能發(fā)生的現(xiàn)象和交互作
用導致位移的結果。在這些情況下位移和物理上對應的能量轉移到物質(zhì)或其他的光子，而不是歸結于參考坐標系的轉變之間。這些轉移可以歸結于凝聚作用（參見沃爾夫效應）或是來自于基本粒子、微粒物質(zhì)、或來自波動的電介質(zhì)媒介被充電，導致電磁輻射的散射。當這些現(xiàn)象對應于“紅移”或“藍移”的現(xiàn)象時，是物理的電磁輻射場本身的交互作用或是介入（干預）的物質(zhì)來自參考坐標系效應的現(xiàn)象。在天文物理，質(zhì)-光交互作用的結果在輻射場的能量的遷移上通常是紅化而不是紅移，而這個項目通常是保留在前面的效應中討論的。
在許多情況下散射會導致輻射的紅化，因為熵會使光子趨向最低能量而減少高能的光子(總能量守恒)。除了在小心控制的情況下，散射不會在同一個變化中橫跨整個光譜，換言之，任何一個波長上計算得到的z只是一個對應于波長的函數(shù)，而且，來自介質(zhì)的隨機散射通常可能發(fā)生在任何的角度上，而z又是一個散射角的函數(shù)。如果多次的散射發(fā)生，或是散射的粒子在相對的運動中，那么通常都會造成譜線的畸變。
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