红移现象

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星系红移之谜

星系红移之谜宇宙间的-切物质都在运动中。遥远的星

系也在运动着，它们都在远离我们而去。例如，室女座星系

团正以大约每秒1210公里的速度离开我们，后发座星系团

约以每秒6700公里的速度离开我们，武仙座星系团约以每

秒l0300公里的速度飞奔而去，而北冕座星系团离开我们的

速度更大，大约每秒21600公里。星系为什么要离开我们?

我们又是怎么知道它们在运动呢？

在生活中我们都有这样的经验：在火车站站台上，一列火车

呼啸着向我们奔来，汽笛的声调越来越高，当火车离开我们

时，汽笛的声调逐渐降低。这是什么道理呢？1842年，著名

的奥地利物理学家多普勒首先阐述了造成这种现象的原因。

他指出：生源想到对贯彻在运动时，观测者所听到的声音会

发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调

变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就

变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比

值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多

普勒效应”。

多普勒效应不仅适用于声波，而且也适用于光波。一个高速

运动的光源发出的光到达我们眼睛时，其波长和频率也发生

了变化，也就是说它的颜色会有所改变。虽然天文学家可以

利用这一原理测量天体的运动，但是在一般情况下，天体相

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对于观测者的运动速度与光速相比是微不足道的，因此光源

颜色的变化很难测定。

1849年，法国物理学家费佐成功地解决了这个问题～他提出，

观测光的多普勒效应的最好办法，是测量光谱线的位置的微

小移动。最早对谱线位移进行测量的是英国天文学家哈根斯。

1868年，他在口径20厘米的折射望远镜上安装了一台分光

镜，用它测出了大犬星座巾最亮星——天狼星的一根谱线向

红端移动了l埃，即其波长增加了一亿分之一厘米。由此算

出天狼星正以46.5公里／秒的速度远离我们而去，这是第

一次测得了恒星在视向方向上的运动速度，称为“视向速

度”。哈根斯对天狼星视向速度的测量是用肉眼配合分光镜

而得到的，这种目视测量方法误差很大。今天我们知道，天

狼星其实是以8公里／秒的速度朝我们跑来。尽管如此，哈

根斯在天体测量学领域所进行的开拓性工作，仍使他在天文

学史上占有重要地位。在他之后，特别是进入20世纪以后，

天文学家不仅用这～强有力的手段测量出大量天体的视向

速度，还用它米观测河外丝系。

星系也在红穆

星系是巨大的恒星集团，但由于它们离我们非常遥远,每个

星系往往只能在大望远镜拍摄的底片上看到一个微弱的光

点。第一个观测和测定星系光谱的天文学家是美国洛韦尔天

文台的斯里弗。l912—1925年，他拍摄了40个星系的光谱

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照片，除了两个星系外，其余都呈现波长偏长的多普勒频移，

即向光谱的红端位移，所测得的离去速度高得惊人，最高达

5700公里／秒。

对星系视向速度的研究继续进行着。天文学家发现，星系的

谱线位移和恒星的谱线位移很不一样。首先，恒星的谱线位

移有红移也有紫移，这反映恒星有的在远离我们，有的在接

近我们，而星系的谱线位移绝大多数是红移，紫移的极少。

其次，恒星的谱线位移不论是红移还是紫移，一般在每秒数

十公里左右，最大的不超过每秒二三百公里，而星系的谱线

红移每秒1000公里以下的只占少数，多数是每秒2019～3000

公里，有的甚至达到每秒1万公里。

1929年，美国天文学家哈勃发现，在宇宙空间不仅几乎所有

的星系都具有谱线红移现象，而且还存在着星系的红移量与

该星系的距离成正比的关系，也就是说，越远的星系正在以

越快的速度飞驰而去，这被称为哈勃定律。

有了哈勃定律，天文学家通过观测星系的谱线红移量，求出

星系的视向速度，进而得出它们的距离。例如，一个以1700

公里／秒的速度远离我们而去的星系，其距离约1亿光年；

一个以17000公里／秒的速度远离我们而去的星系，其距离

约10亿光年。目前已观测到的最远星系，正以与光速相差

无几的速度远离我们而去，其距离达100多亿光年。为什么

星系都在离我们而去呢？

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红移的本质是什么

红移的本质是什么？为什么会存在哈勃定律？这些问题已

经争论了半个多世纪了，但一直未能得到圆满的解释，因而

成了天文学里的老大难问题。

在哈勃定律发表前两年，比利时天文学家勒梅特就提出了宇

宙膨胀的概念。1930年，英国天文学家爱丁顿把勒梅特的模

型和哈勃定律联系起来，称宇宙为膨胀的宇宙。1932年勒梅

特进一步提出现在观测到的宇宙是一个巨大的原始火球爆

炸而形成的·到了40年代末，在发现了太阳的巨大能源来

自热核反应后，美国物理学家伽英夫把宇宙膨胀论和基本粒

子的运动联系起来，提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起

源于高温、高密度的，“原始火球”的一次大爆炸。在热大

爆炸模型提出后的一段时间内，很少有人关心它。直到1965

年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了3K微

波背景辐射（也称字宙背景辐射）后，才使大爆炸学说一跃

成为最有影响的学说．随着其他研究者的后继测量，宇宙背

景辐射已成为大爆炸模型有效性的有力见证，成为考虑宇宙

中大足度流动的有用的“绝对框架”，还因其表现的各向同

性，成为发表星系形成理论的重要约束。

天文学家认为，所谓宇宙大爆炸，并不能想象为高密度高能

量的宇宙物质在爆炸后，高速冲向早已存在的空虚的空间之

中，如果这样，原爆炸中心将会留下一个逐渐增大的空洞。

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同时，爆炸时辐射比物质走得快，结果爆炸时发出的所有辐

射就会与物质分离。实际上这两种现象都不存在，因此宇宙

大爆炸必须想象为空间本身自大爆炸开始以光速膨胀。

大爆炸学说比较自然地说明了许多观测现象，而且理论和观

测结果比较好地相符。但是也遇到了一些问题，其中最突出

的是“原始火球”是从哪里来的?有的天文学家认为：起初

宇宙是极其稀薄的气体，由于万有引力的作用，逐渐收缩成

一团超密物质。然后再爆炸，经过膨胀阶段，而重新归于稀

薄，稀薄得简直和绝对真空相差无儿。我们恰巧生活在宇宙

比较饱满的这个非常短暂的时期中。自然，以后还可以再收

缩，再爆炸，再膨胀。1965年，美国天文学家桑得奇甚至估

计这种“脉动宇宙”每振荡一次大约需要800多亿年。这种

理论是现实，还是“神话”，目前还不能轻易下结论。

另外一些天文学家，他们不认为星系谱线红移是由它们的退

行速度引起的，因此也就不存在宇宙膨胀的问题。然而，要

在多普勒效应之外，再找出红移的另一种解释，实在太困难

了，至少从目前看来是这样。

有一种解释认为：，发出光谱的天体因本身的物理状态不同

而产生红移。例如由于星系那里引力特别大，因此发出的光

谱中红移特别大，这叫做引力红移。引力红移是广义相对论

的预言之一。根据广义相对论，当一个观察者从远离引力场

的地方，观测处在引力场中的辐射源发射出来的光的时候，

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谱线会向长波方向移动，移动量与辐射源和观测者两处引力

势差的大小成正比。这种效应最初是在白矮星中得到证实的。

但根据引力理论计算的结果来看，引力对红移的影响很小，

不足以说明观测到的星系红移现象。

另一种解释则认为光线与传播途中物质相互作用产生红移。

光线由星系发出之后，要经过若干万光年才能到达地球，光

在长途传播中要穿透许多星系际介质区域，光和介质发生了

某种相互作用，使光谱产生红移。星系越远，途中遇到．的

介质就越多，因而红移也就越大，但光与介质相遇如何相互

作用而产生红移，还没有令人满意的解释。

还有一种解释是光线本身变化而产生红移。光线在几千万年

的传播之中，光子发生了老化，波长变长而出现了红移，由

此推断越远的星系光线走得越久，所以看到的红移也越大。

这一假说没有得到实验的证实。

类星体红移

正当星系红移问题闹得不可开交的时候，60年代又出现了类

星体的红移现象，使问题变得越发复杂了。根据对类星体物

理性质的研究。可以肯定，类星体是河外天体。属于星系这

一层次。既然如此．它们的红移是不是也像正常星系那样可

以解释为退行并满足哈勃定律呢?要直接验证这一点是困难

的，因为至今还没法求出类星体的距离。对类星体进行统计，

结果发现在红移—视星等图上，它们的分布毫无规律，这到

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底是什么原因呢？

大多数天文学家坚持认为：类星体的红移是宇宙红移，即红

移反映了退行，而且红移和距离之间存在着哈勃关系。证据

是类星体的物理性质与某些活动星系很类似，而活动星系已

被证明是满足哈勃定律的。另外，已发现几个类星体分别很

*近某个基系团或就在星系团内，而且类星体与星系团的红

移近似相等。还发现某些类星体很*近一些星系，而类星体

和星系的红移也大致相同。他们认为，类星体在红移—视星

等图上之所以弥散，是由于类基体的绝对星等弥散太大，而

不是因为哈勃定律不成立。

少数天文学家认为类星体红移不是宇宙学的。对某些类星体

和亮星系进行抽样统计研究，发现有些互相成协(即联在一

起)的星系或成协的星系和类星体彼此之间的红移量完全不

同或相差很大。另外发现有些类星体的光谱中，其吸收线的

红移量与发射线的红移量互不相同，而且不同的吸收线还有

各不相同的红移量，即多重红移。而成协天体的不同红移和

同一天体的多重红移，都是用多普勒效应无法解释的，必须

寻找新的红移机制。已提出的除了上面讲到的引力红移、光

子老化、物理常数变化等红移机制外，还有一种所谓的“横

向多普勒效应”。类星体的巨大红移可能说明它的横向速度

很大。

上述这些观点，有的仅仅是假说，有的虽有理论根据，但并

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不能很好地解释类星体的红移．持非宇宙学红移观点的人认

为，类量体的红移是对现代物理学的挑战。

对星系普遍存在的谱线红移的观测和研究．有力地推动了以

整个可观测宇宙的结构、起源和演化为课题的现代宇宙学的

迅速发展。星系红移的真相一旦被揭开，人类对宇宙的认识

必将有一个更大的飞跃。