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多普勒效應是什麼?紅移,抑或是藍移


2022年8月03日 - 宇宙小編  
 

簡介: 紅移和藍移是多普勒效應的可見影響。紅移是由於物體遠離地球而產生的光波波長的增加,藍移則相反。可利用光譜學測量物體光譜,根據其譜線計算光譜中的波長值,再據此獲得其紅移及藍移值。

紅移現象是指由於物體遠離地球,波長增加。與之相反的是藍移,物體向地球移動,波長減少。

紅移和藍移都是多普勒效應的可觀測現象。過去你很可能曾親眼目睹過多普勒效應。最好的例子就是警車高速駛過時的警笛聲:當警車向你駛來的時候,警笛的音調會變高,比警車遠離你時的音調要高。這個現象與聲音頻率的提高有關。這在下列的視頻中進行了展示。

光也會有同樣的多普勒效應。當物體朝我們移動時,波長會發生變化,向光譜的藍色一端移動。當物體從我們身邊移開的時候,光被“拉伸”向紅色,我們可以觀察光譜線中的移位現象。

紅移與藍移

太陽吸收譜線(左),與遙遠星系的超星系團的吸收譜線(右)

箭頭表示紅移。波長增加,朝向紅色及遠紅外(頻率減速器)

紅移和藍移的歷史

多普勒效應是以克裏斯蒂安·安德裏亞斯·多普勒的名字命名的。他在1842年為這一物理現象提供了目前已知的最早的物理學解釋。這一聲波假設於1845年由荷蘭科學家克裏斯托弗·亨德裏克·迪德裏克·巴伊斯·白貝羅檢驗證實。

1848年,法國物理學家阿曼德-希波利特-路易·菲佐第一次描述了多普勒紅移,他指出恒星光譜譜線的變化是多普勒效應造成的。這種效應有時也被稱作“多普勒-菲佐效應”。1868年,英國天文學家威廉·哈金斯首次通過多普勒效應測定出一顆恒星遠離地球的速度。

1871年,在觀測太陽自轉的夫琅和費譜線中發現了多普勒現象,光學紅移得到了證實,大約為0.1 Ã。1901年,阿裏斯塔赫·貝洛波爾斯基在實驗室中,使用旋轉鏡系統驗證了光學紅移。

尋找紅移

光譜學可以應用到測量來自遙遠星系的光學頻譜當中來。科學家會在光譜中尋找紅移特征(比如說吸收譜線、發射譜線或是其他光強度的變化),然後和現有的各種元素頻譜中的已知特征進行對比,最終確定紅移。氫元素是太空中一種非常常見的元素。

在上面的圖表中,你可以看見兩個光。一個來在太陽(一個已知的每個吸收線都確定的光譜),一個是來自遙遠星系的超級星團。當我們比較這兩個星系的時候,我們看到太陽的氫線和遙遠星系的相關、有聯系。唯一的區別是星系中的吸收譜線都向上移動(朝向紅色)。這就指向了紅移,可以得出一個結論:這個星系正在遠離我們,或是說我們正在遠離這個星系。

計算紅移和藍移

一旦我們找到一個已知的光譜線,就可以計算出它在光譜中的波長。然後,這就可以用來計算確切的紅移。

以上述圖形為例,我們可以取氫阿爾法發射譜線為656.2納米,然後根據光譜(如,觀測到的譜線是675納米)計算觀測光譜的波長。最後,用一個簡單的方程式來計算紅移值。

等式28-紅移值

代入我們觀察到的波長得到:

等式28- 紅移值計算示例

z是習慣使用的無量綱量,z的正值指向紅移,負值指向藍移。

紅移的例證

星系是目前已知紅移最高的物體。光譜數據是最可靠的紅移證據來源,而星系中確認的最高光譜紅移是紅移 z = 6.96 的 IOK-1。

觀測到的最遙遠的伽馬射線爆發是GRB 080913,其紅移z是6.7。

相關知識

在物理學領域,紅移是指電磁輻射由於某種原因導致波長增加、頻率降低的現象,在可見光波段,表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離。相反的,電磁輻射的波長變短、頻率升高的現象則被稱為藍移。紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發現的,隨著對電磁波譜各個波段的了解逐步加深,任何電磁輻射的波長增加都可以稱為紅移。

BY: Tim Trott

FY: 樹燈下的書

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