红移 · aiwiki.page

红移是指电磁辐射的波长相对于发射值或参考值变长、频率变低的现象。这个名称源于可见光的红色端，但该现象适用于整个电磁波谱。与之相反的现象称为蓝移。在天文学中，红移提供了有关天体运动和宇宙膨胀的信息；引力红移还可用于探究引力如何影响辐射和时钟。这些效应的物理成因各不相同，但可能共同影响同一次观测。(esa.int)

定义与测量

红移用无量纲量 $z$ 表示：

z=\frac{\lambda_{\mathrm{obs}}-\lambda_{\mathrm{em}}} {\lambda_{\mathrm{em}}}, \qquad 1+z=\frac{\lambda_{\mathrm{obs}}}{\lambda_{\mathrm{em}}} =\frac{\nu_{\mathrm{em}}}{\nu_{\mathrm{obs}}},

其中， $\lambda$ 表示波长， $\nu$ 表示频率。 $z$ 为正表示红移，为负则表示蓝移。因此， $z=1$ 意味着观测波长是发射波长的两倍，而不是辐射源以光速运动。红移衡量的是波长之比；若要将其解释为速度，就需要采用相应的物理模型。(ned.ipac.caltech.edu)

天文学家通常通过光谱学测定红移，方法是识别静止波长已由实验室测量确定的谱线。与某种原子或离子相关的发射和吸收特征会形成可辨认的模式。对多处特征进行匹配，有助于区分真正的波长偏移与谱线识别错误。发生偏移的是整个光谱，而谱线则提供了便于使用的参考标记。(esa.int)

光谱红移可以通过单条谱线测量，也可以通过将观测光谱与模板进行比较来测量。测光红移则利用多个波段的亮度测量结果，以及辐射源的光谱能量分布模型，来估计红移。测光红移的精度通常低于光谱测量，但在无法获得详细光谱时仍然很有用。(ned.ipac.caltech.edu)

多普勒红移

多普勒效应源于辐射源与观测者之间的相对运动。相互远离会产生红移，相互接近则会产生蓝移。对于光，其定量关系遵循狭义相对论，而非适用于声音在介质中传播的经典公式。在平直时空中，对于纯粹沿径向远离的运动，

1+z=\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}, \qquad \beta=\frac{v}{c},

其中， $v$ 是相对退行速度， $c$ 是光速。当 $v\ll c$ 时，这一关系简化为 $z\simeq v/c$ 。精确表达式既包含发射者与接收者之间距离变化的影响，也包含相对论性时间膨胀的影响。(einstein-online.info)

多普勒频移可揭示恒星和气体的运动。交替出现的频移可以追踪双星中的轨道运动，而星系不同位置的频移差异则能揭示其内部运动。这类测量涉及天体在空间中的运动，必须与宇宙膨胀所导致的红移区分开来。(science.nasa.gov)

宇宙学红移

在宇宙学中，辐射在膨胀的宇宙中传播时会产生宇宙学红移。在广义相对论所采用的均匀、各向同性膨胀模型中，辐射波长随宇宙尺度因子 $a(t)$ 成比例增大：

1+z=\frac{a(t_{\mathrm{obs}})}{a(t_{\mathrm{em}})}.

如果将今天的尺度因子归一化为 1，那么观测到宇宙学红移 $z=3$ 的辐射，是在尺度因子为现今值四分之一时发出的。这描述的是宇宙中距离尺度的相对变化，而不是宇宙从某个中心点向周围空间膨胀。(ned.ipac.caltech.edu)

对于近似随宇宙膨胀运动的近邻星系，哈勃—勒梅特定律给出 $v\simeq H_0d$ ，因此在红移较小时有 $cz\simeq H_0d$ 。这里的 $H_0$ 是哈勃常数。在红移较大时，无论是这一线性近似，还是狭义相对论的多普勒公式，都不能提供将红移换算为宇宙距离的通用方法。不同的距离度量取决于宇宙的膨胀历史。(ned.ipac.caltech.edu)

因此，红移为研究宇宙演化提供了一个观测坐标，而不是不依赖模型的距离或年龄。将红移换算为距离或回溯时间，需要采用膨胀模型及其参数。在大爆炸宇宙学中，辐射波长的拉伸也解释了为什么最初温度更高的辐射场会随着宇宙膨胀而冷却，这是宇宙微波背景的一个重要性质。(science.nasa.gov)

引力红移

当辐射从较低引力势的位置传播到较高引力势的位置时，相对于相应参考系保持静止的观测者会测得引力红移。沿相反方向传播的辐射则会发生引力蓝移。这一效应与引力时间膨胀密切相关：其他条件相同、但处于不同引力势位置的时钟，其累计时间的速率不同。引力红移并不要求发射者远离接收者。(science.gsfc.nasa.gov)

对不同高度的原子钟进行精密比较，可以检验这一预言。这类测量还将时钟走时速率与引力势差联系起来，为基于时钟的大地测量提供依据。这些实验能够将引力导致的频移与相对运动导致的频移区分开来。(arxiv.org)

解释与天文学应用

观测到的星系红移可能同时包含宇宙膨胀的影响，以及该星系相对于平均膨胀运动的本动。这些贡献通过各自的 $1+z$ 因子相乘来合成，而不是简单地将红移相加；不过，在频移足够小时，相加可以作为近似。因此，即使宇宙整体正在膨胀，近邻天体仍可能出现蓝移。(ned.ipac.caltech.edu)

将红移与独立估计的距离进行比较，使天文学家能够研究宇宙的膨胀历史。1998 年，对遥远超新星的观测提供了宇宙正在加速膨胀的证据，推动了对暗能量的研究。宇宙学红移还会使观测到的时间间隔拉长为原来的 $1+z$ 倍；对超新星光谱演化的测量，可以独立于波长偏移来检验这一预言。(science.nasa.gov)