宇宙學紅移

指當光穿過一段空間時，空間自身發生的延展。在目前研究的各種天體中，被認為具有宇宙學紅移的對象主要是遠近各類星系。但事實上，只有對於相當遙遠的星系（因而也是相當大型的），才能容易地將宇宙學紅移與其它干擾相區分。因為離我們越近的天體自行越大，造成近距離星系的宇宙學紅移無法與Doppler紅移相區。要辨識引力紅移，目前用得最多的方法是將對象天體的尺度與其黑洞半徑作比較。星雲、星系通常萬億倍大於它們的黑洞半徑，所以，它們引力紅移的大小約為原輻射頻率的萬億分之一（這是目前實驗裝置根本觀測不到的）。普通恆星的半徑通常只比它的黑洞半徑大十萬倍，所以，它表面輻射的引力紅移接近於能被觀測到的極限，也就是十萬分之一。至於中子星和白矮星，相應的是1/10和1/1000的原輻射頻率。

1簡史 2測量、特性和解釋 3機制

4多普勒效應 5分類

簡史

這個主題的發展開始於19世紀對波動力學現象的探索，因而連結到了都卜勒效應。稍後，因為克里斯琴·約翰·多普勒在1842年對這種現象提出了物理學上的解釋，而被稱為多普勒效應[5]。他的假說在1845年被荷蘭的科學家Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot用聲波做實驗而獲得證實。多普勒預言這種現象可以應用在所有的波上，並且指出恆星的顏色不同可能是由於它們相對於地球的運動速度不同而引起的。後來這個推論被否認。恆星呈現不同的顏色是因為溫度不同，而不是運動速度不同。

多普勒紅移是法國物理學家斐索在1848年首先發現的，他指出恆星譜線位置的移動是由於多普勒效應，因此也稱為「多普勒-斐索效應」。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯首次次測出了恆星相對於地球的運動速度。

在1871年，利用太陽的自轉測出在可見光太陽光譜的夫朗和斐譜線在紅光有0.1 Å的位移。在1901年，Aristarkh Belopolsky在實驗室中利用轉動的鏡片證明了可見光的紅移。

在1912年開始的觀測， Vesto Slipher發現絕大多數的螺旋星雲都有不可忽視的紅移。然後，埃德溫·哈勃發現這些星雲（現在知道是星系）的紅移和距離有關聯性，也就是哈勃定律。這些觀察在今天被認為是造成宇宙膨脹大爆炸理論的強而有力證據。

測量、特性和解釋

紅移可以經由單一光源的光譜進行測量(參考上面理想化的光譜例證圖)。如果在光譜中有一些特徵，可以是吸收線、發射線、或是其他在光密度上的變化，那麼原則上紅移就可以測量。這需要一個有相似特徵的光譜來做比較，例如，原子中的氫，當他發出光線時，有明確的特徵譜線，一系列的特色譜線都有一定間隔的。如果有這種特性的譜線型態但在不同的波長上被比對出來，那麼這個物體的紅移就能測量了。因此，測量一個物體的紅移，只需要頻率或是波長的範圍。只觀察到一些孤立的特徵，或是沒有特徵的光譜，或是白噪音(一種相當無序雜亂的波)，是無法計算紅移的。

紅移(和藍移)可能會在天體被觀測的和輻射的波長(或頻率)而帶有不同的變化特徵，天文學習慣使用無因次的數量z來表示。如果λ代表波長，f代表頻率(注意：λf = c，此處的c是光速)，那麼z可以由下面的公式來定義：

紅移的測量, z 以波長為基礎，以頻率為基礎

在z被測量后，紅移和藍移的差別只是間單的正負號的區別。依據下一章節的機制，無論被觀察到的是紅移或藍移，都有一些基本的說明。例如，多普勒效應的藍移(z < 0)會聯想到物體朝向觀測者接近並且能量增加，反過來說多普勒紅移(z > 0)，就會聯想到物體遠離觀測者而去並且能量減少。同樣的，愛因斯坦效應的藍移可以聯想到光線進入強引力場，而愛因斯坦效應的紅移是離開引力場。

機制

一個光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機制，每一種機制都能產生類似多普勒紅移的現象，意謂著 z是與波長無關的。這些機制分別使用伽利略、羅倫茲、或相對論轉換在各個參考架構之間來比較。

紅移摘要紅移型式轉換的架構所在度規定義[15]

多普勒紅移、伽利略轉換、歐幾里得度規

相對論的多普勒羅倫茲轉換閔考斯基度規

宇宙論的紅移廣義相對論轉換FRW度規

重力紅移廣義相對論轉換史瓦茲旭爾得度規}-

多普勒效應

如果一個光源是遠離觀測者而去，那麼會發生紅移(z > 0)，當然，如果光源是朝向觀測者移動，便會產生藍移(z < 0)。這對所有的電磁波都適用，而且可以用都卜勒效應解釋。當然的結果是，這種形式的紅移被稱為多普勒紅移。如果光源遠離觀測者的速度是v，忽略掉相對論的效應，紅移可以表示為：

此處 c 是光速，在古典的多普勒效應，光源的的頻率是無需修正的，但是退行會造成低頻的錯覺。

對於聲波等機械波，也有這樣的效應。即，波源向觀察者運動時，觀察者接受到的波的頻率變高；波源離開時則接收到的波頻變低。

分類

宇宙學紅移

光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移的多普勒紅移：物體和觀察者之間的相對運動可以導致紅移，與此相對應的紅移稱為多普勒紅移，是由多普勒效應引起的。

重力紅移：根據廣義相對論，光從重力場中發射出來時也會發生紅移的現象。這種紅移稱為重力紅移。

宇宙學紅移：20世紀初，美國天文學家埃德溫·哈勃發現，觀測到的絕大多數星系的光譜線存在紅移現象。這是由於宇宙空間在膨脹，使天體發出的光波被拉長，譜線因此「變紅」，這稱為宇宙學紅移，並由此得到哈勃定律。 20世紀60年代發現了一類具有極高紅移值的天體——類星體，成為近代天文學中非常活躍的研究領域。

宇宙學紅移