紅移

　　天體光譜中某一譜線相對於實驗室光源的比較光譜中同一譜線向紅端的位移。紅移z的定義是：

，

式中λ ₀是實驗室光源的某一譜線波長，λ是是天體的同一譜線波長。 z＞0，紅移，波長增加； z＜0，紫移(或藍移)，波長減少。在紅移問題中， z都大於0，因而往往簡單地把 z作為紅移的符號。 z是無量綱的標量，習慣上又總是按照多普勒效應把 z換算為相應的速度。

　　太陽的紅移　1907年哈姆發現太陽邊緣有與自轉無關的小量紅移。兩條鐵譜線與日面中心的相比，紅移瞭+0.012埃。同年，海耳和W.S.亞當斯指出，他們所觀測的譜線在日面邊緣都有紅移；而且波長越長，紅移越大。此後發現除紅移外，還有譜線輪廓的復雜變化。現在，任何解釋太陽譜線紅移的理論必須同時能說明下列觀測事實：①日面中心的紅移（絕對值）為廣義相對論所預期的引力紅移z的一半；②紅移從日面中心到邊緣有變化，而且東邊緣紅移超出西邊緣紅移；③譜線輪廓不對稱性從日面中心到邊緣的變化，特別是當到達邊緣時不對稱性消失；④不同譜線的紅移量之間存在一定的差別；有一些譜線的紅移從日面中心到邊緣沒有變化，等於廣義相對論紅移。迄今對此還沒有一種令人滿意的解釋。

　　電磁波經過太陽附近的紅移　“先驅者”6號行星際探測器於1968年12月21日飛到太陽背後，當它為日冕所掩時，曾觀測到它發射的2，292兆赫頻帶的中心頻率，除平均漂移外，可能有剩餘紅移。當金牛座T星接近於日掩時，也曾觀測到中性氫21厘米譜線減小150赫。這些現象尚待進一步探索。

　　恒星的紅移　1868年哈根斯測量瞭一些恒星的視向速度，宣佈天狼的紅移為每秒47公裡。1915年發現白矮星之後，人們通常認為白矮星的巨大剩餘紅移主要是引力紅移。此外，在Of型星、沃爾夫－拉葉星、某些銀河星團的成員星、獵戶座大星雲中的 B型星中也觀測到反常紅移(這裡指不能用引力效應解釋的紅移)。目前，還沒有恰當的理論揭示恒星紅移的本原。

　　星系的紅移　除少數幾個近距星系外，其他星系的光譜都呈現紅移，而且用射電方法測定的紅移與可見光波段一致。1929年，哈勃發現瞭星系的紅移量和距離成正比的規律，即哈勃定律。到1978年，已觀測到的正常星系最大紅移z=0.75。若承認紅移是多普勒退行速度效應，則能得出可觀測的宇宙作整體膨脹的結論。星系的紅移成為五十年來影響最為深遠的宇宙現象。然而，還有很多觀測事實，在探討星系紅移本原時應該計及。例如，在某些星系團中，旋渦星系的紅移比橢圓星系的大，即存在所謂的星系類型-紅移效應；一些雙重星系和多重星系中，特殊成員星系有反常紅移（這裡指不滿足哈勃定律的紅移）；霍金斯根據474個星系的紅移－視星等關系，求出紅移與距離的1.66次方成比例；沃庫勒分析瞭118個星系群和星系團的平均紅移和距離，認為紅移與距離不是線性關系。

　　類星體的紅移　1963年，M.施米特等首次證認出類星體3C273的紅移z=0.158。十五年來，已知的光學類星體有1，000多個，它們隻有紅移沒有紫移，其中最大的紅移z=3.53。若按正常星系的紅移-距離關系外推，則遇到許多目前無法解決的矛盾。這就是六十年代以來著名的紅移挑戰。類星體的紅移是根據1條以上的發射線測定的。譜線的證認是根據人們對於恒星和星系譜線形成機制先提出一份在類星體上可望出現的發射線參考表（1965年M.施米特首先發表的這種表，列有37條發射線，以後有人稍加擴充）及判定候選紅移合理性的規則，然後把觀測到的兩條譜線的波長差與譜線參考表進行比對。一對譜線被證認的可能性不是唯一的，由此決定的紅移可以相差極大；作為研究出發點的譜線證認參考表是否反映類星體的實際情況，也有關鍵性的意義。因此，當把類星體作為一種特殊重要天體來對待時，尤其需要註意到這一點。

　　1966年以來，得知有不少類星體光譜中有比發射線多得多的吸收線，有的還有一組以上的不同紅移的吸收線系；此外，還有很多吸收線沒有得到證認。吸收線紅移一般小於發射線紅移。通常認為，吸收線是在類星體周圍的氣體中，或是在視線方向介於觀測者和類星體之間的星系、星系暈或星際物質中產生的。

　　類星體的紅移和視星等之間沒有明顯的關系，這與正常星系的情況很不相同。1978年，沙魯和薩普利根據626個類星體的紅移-視星等圖，得出的斜率是0.141，而哈勃線性律則要求斜率為0.2。

　　1966年，阿普發現有一些類星體與特殊星系成協，而類星體有較大的紅移。後來這種情況陸續有所發現，類星體的不相符紅移甚至有大出兩個數量級的，這向傳統的紅移解釋提出瞭嚴重的挑戰。

　　紅移和速度　在經典多普勒效應中，引起譜線紅移的僅是視線方向上的退行速度。在狹義相對論多普勒效應中，除徑向退行外，橫向速度也能引起紅移，但比退行速度的紅移小一級，可忽略不計。傳統上把觀測到的紅移完全換算為徑向退行速度。類星體巨大紅移和不相符紅移發現以後，橫向速度引起的紅移開始受到重視。若能觀測到橫向角速度（包括自行），則與保留橫向速度項的相對論多普勒效應和哈勃定律聯立求解，便可得到橫向線速度和比單由哈勃定律得出的小得多的距離，並可把不相符紅移解釋為橫向速度的差異。

　　星系和類星體的紅移的解釋　二十年代，星系紅移的研究曾受到德西特靜態宇宙模型的推動，而星系速度－距離關系的發現，則成為宇宙膨脹的觀測證據。以廣義相對論為基礎的宇宙膨脹假說不僅可以解釋哈勃定律，還能說明一系列觀測到的現象，例如微波背景輻射和奧伯斯佯謬，但不能解釋不相符紅移。半個世紀以來，人們提出瞭許多關於紅移的非速度本原的解釋，例如，光子老化說，物理常數變化理論。有人還試圖用不均勻宇宙模型、多重爆炸宇宙學等來說明偏離哈勃定律的不相符紅移，然而這些都是假說，沒有得到公認。

　　

參考書目

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