关于红移介绍

[拼音]：hongyi

[外文]：red shift

天体光谱中某一谱线相对于实验室光源的比较光谱中同一谱线向红端的位移。红移z的定义是：

，

式中λ0是实验室光源的某一谱线波长，λ是天体的同一谱线波长。z>0，红移，波长增加；z<0，紫移(或蓝移)，波长减少。在红移问题中，z都大于0，因而往往简单地把z作为红移的符号。z是无量纲的标量，习惯上又总是按照多普勒效应把z换算为相应的速度。

1907年哈姆发现太阳边缘有与自转无关的小量红移。两条铁谱线与日面中心的相比，红移了+0.012埃。同年，海耳和W.S.亚当斯指出，他们所观测的谱线在日面边缘都有红移；而且波长越长，红移越大。此后发现除红移外，还有谱线轮廓的复杂变化。现在，任何解释太阳谱线红移的理论必须同时能说明下列观测事实：

（1）日面中心的红移（绝对值）为广义相对论所预期的引力红移 z的一半；

（2）红移从日面中心到边缘有变化，而且东边缘红移超出西边缘红移；

（3）谱线轮廓不对称性从日面中心到边缘的变化，特别是当到达边缘时不对称性消失；

（4）不同谱线的红移量之间存在一定的差别；有一些谱线的红移从日面中心到边缘没有变化，等于广义相对论红移。迄今对此还没有一种令人满意的解释。

“先驱者” 6号行星际探测器于1968年12月21日飞到太阳背后，当它为日冕所掩时，曾观测到它发射的 2，292兆赫频带的中心频率，除平均漂移外，可能有剩余红移。当金牛座T星接近于日掩时，也曾观测到中性氢21厘米谱线减小150赫。这些现象尚待进一步探索。

1868年哈根斯测量了一些恒星的视向速度，宣布天狼的红移为每秒47公里。1915年发现白矮星之后，人们通常认为白矮星的巨大剩余红移主要是引力红移。此外，在Of型星、沃尔夫－拉叶星、某些银河星团的成员星、猎户座大星云中的 B型星中也观测到反常红移(这里指不能用引力效应解释的红移)。目前，还没有恰当的理论揭示恒星红移的本原。

除少数几个近距星系外，其他星系的光谱都呈现红移，而且用射电方法测定的红移与可见光波段一致。1929年，哈勃发现了星系的红移量和距离成正比的规律，即哈勃定律。到1978年，已观测到的正常星系最大红移z=0.75。若承认红移是多普勒退行速度效应，则能得出可观测的宇宙作整体膨胀的结论。星系的红移成为五十年来影响最为深远的宇宙现象。然而，还有很多观测事实，在探讨星系红移本原时应该计及。例如，在某些星系团中，旋涡星系的红移比椭圆星系的大，即存在所谓的星系类型-红移效应;一些双重星系和多重星系中，特殊成员星系有反常红移（这里指不满足哈勃定律的红移）;霍金斯根据474个星系的红移－视星等关系，求出红移与距离的1.66次方成比例；沃库勒分析了118个星系群和星系团的平均红移和距离，认为红移与距离不是线性关系。

1963年，M.施米特等首次证认出类星体3C273的红移z=0.158。十五年来，已知的光学类星体有1，000多个，它们只有红移没有紫移，其中最大的红移z=3.53。若按正常星系的红移-距离关系外推，则遇到许多目前无法解决的矛盾。这就是六十年代以来著名的红移挑战。类星体的红移是根据1条以上的发射线测定的。谱线的证认是根据人们对于恒星和星系谱线形成机制先提出一份在类星体上可望出现的发射线参考表（1965年M.施米特首先发表的这种表，列有37条发射线，以后有人稍加扩充）及判定候选红移合理性的规则，然后把观测到的两条谱线的波长差与谱线参考表进行比对。一对谱线被证认的可能性不是唯一的，由此决定的红移可以相差极大；作为研究出发点的谱线证认参考表是否反映类星体的实际情况，也有关键性的意义。因此，当把类星体作为一种特殊重要天体来对待时，尤其需要注意到这一点。

1966年以来，得知有不少类星体光谱中有比发射线多得多的吸收线，有的还有一组以上的不同红移的吸收线系；此外，还有很多吸收线没有得到证认。吸收线红移一般小于发射线红移。通常认为，吸收线是在类星体周围的气体中，或是在视线方向介于观测者和类星体之间的星系、星系晕或星际物质中产生的。

类星体的红移和视星等之间没有明显的关系，这与正常星系的情况很不相同。1978年，沙鲁和萨普利根据626个类星体的红移-视星等图，得出的斜率是0.141，而哈勃线性律则要求斜率为0.2。

1966年，阿普发现有一些类星体与特殊星系成协，而类星体有较大的红移。后来这种情况陆续有所发现，类星体的不相符红移甚至有大出两个数量级的，这向传统的红移解释提出了严重的挑战。

在经典多普勒效应中，引起谱线红移的仅是视线方向上的退行速度。在狭义相对论多普勒效应中，除径向退行外，横向速度也能引起红移，但比退行速度的红移小一级，可忽略不计。传统上把观测到的红移完全换算为径向退行速度。类星体巨大红移和不相符红移发现以后，横向速度引起的红移开始受到重视。若能观测到横向角速度（包括自行），则与保留横向速度项的相对论多普勒效应和哈勃定律联立求解，便可得到横向线速度和比单由哈勃定律得出的小得多的距离，并可把不相符红移解释为横向速度的差异。

二十年代，星系红移的研究曾受到德西特静态宇宙模型的推动，而星系速度－距离关系的发现，则成为宇宙膨胀的观测证据。以广义相对论为基础的宇宙膨胀假说不仅可以解释哈勃定律，还能说明一系列观测到的现象，例如微波背景辐射和奥伯斯佯谬，但不能解释不相符红移。半个世纪以来，人们提出了许多关于红移的非速度本原的解释，例如，光子老化说，物理常数变化理论。有人还试图用不均匀宇宙模型、多重爆炸宇宙学等来说明偏离哈勃定律的不相符红移，然而这些都是假说，没有得到公认。

参考书目

1. A.Sandage ed.，Galaxies and the Universe，Univ.of Chicago Press，Chicago，1975.

参考文章

• 红移现象天文天体