星系红移之谜

宇宙中的所有物质都在运动。遥远的星系也在移动。他们都在远离我们。例如，室女座星系团正以每秒1210公里的速度离开我们，后星系团正以每秒6700公里的速度离开我们，吴县星系团正以每秒10300公里的速度离开我们，而电晕北电星系团正以每秒21600公里的速度离开我们。为什么银河系离开了我们？我们怎么知道他们在移动？在我们的生活中，我们都有这样的经历:在火车站的站台上，一列火车向我们呼啸而过，汽笛声越来越高，当火车离开我们时，汽笛声逐渐减弱。原因是什么？1842年，著名的奥地利物理学家多普勒首次解释了这一现象的原因。他指出，学生们认为，当运动开展时，观察员听到的声音会发生变化。当声源远离观察者时，声波的波长增加，音调变低。当声源接近观察者时，声波的波长减小，音调变高。音高的变化与声源和观察者之间的相对速度和声速之比有关。这个比率越大，变化就越大。后世将称之为“多普勒效应”。多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波。当高速移动光源发出的光到达我们的眼睛时，它的波长和频率也会改变，也就是说，它的颜色也会改变。虽然天文学家可以用这个原理来测量天体的运动，但一般来说，天体相对于观察者的运动速度与光速相比是可以忽略不计的，因此光源颜色的变化很难测量。1849年，法国物理学家费佐成功地解决了这个问题~他提出观察光的多普勒效应的最佳方法是测量谱线位置的轻微偏移。英国天文学家哈根斯是第一个测量谱线位移的人。1868年，他在20厘米口径的折射望远镜上安装了一个分光镜，并用它来测量天狼星的一条谱线，天狼星是大犬座中最亮的一颗星，它向红端移动了1埃，即波长增加了1亿厘米。由此计算，天狼星正以46.5公里/秒的速度远离我们。这是第一次测量恒星在视向的速度，称为“视向速度”。哈根斯对天狼星视速度的测量是通过肉眼和分光镜匹配获得的。这种视觉测量方法误差很大。今天我们知道天狼星实际上正以每秒8公里的速度向我们跑来。尽管如此，哈根斯在天体测量领域的开创性工作仍使他在天文学史上占据重要地位。在他之后，尤其是进入20世纪之后，天文学家不仅用这种强大的方法测量了大量天体的视速度，还用它来观察星系外的细丝。星系也是穆弘星系中的巨大恒星群，但是因为它们离我们很远，每个星系只能在大型望远镜拍摄的胶片上看到一个微弱的光点。第一个观察和测量星系光谱的天文学家是洛弗尔天文台的西尔。从1912年到1925年，他拍摄了40个星系的光谱照片。除了两个星系之外，其余的星系都显示出长波长的多普勒频移，即向光谱的红色端移动。测量的出发速度高得惊人，达到5700公里/秒。对星系表观速度的研究仍在继续。天文学家发现星系的谱线位移与恒星的谱线位移非常不同。首先，恒星的谱线位移有红移和紫移，这反映了有些恒星离我们很远，有些离我们很近，而星系的谱线位移大部分是红移，几乎没有紫移。其次，恒星的谱线位移，无论红移还是紫移，一般都在每秒几十公里的范围内，最大不超过每秒200公里或每秒300公里，而低于每秒1000公里的星系的谱线位移只有几个，大多是每秒2000至3000公里，有的甚至达到每秒10000公里。1929年，美国天文学家哈勃发现，不仅几乎所有的星系在空间光谱线上都有红移，而且星系的红移和星系之间的距离也成正比。换句话说，越远的星系以越快的速度离开，这就是所谓的哈勃定律。根据哈勃定律，天文学家可以通过观察星系光谱线的红移以及它们的距离来获得星系的表观速度。例如，一个以每秒1700公里的速度远离我们的星系距离我们大约1亿光年。一个以每秒17000公里的速度远离我们的星系距离我们大约10亿光年。迄今为止观察到的最远的星系正在以几乎等于光速的速度远离我们，距离超过100亿光年。为什么星系会离开我们？

红移的本质是什么？红移的本质是什么？为什么哈勃定律存在？这些问题已经争论了半个多世纪，但没有得到令人满意的解释，因此成为天文学中最古老的问题。哈勃定律发表前两年，比利时天文学家勒迈特提出了宇宙膨胀的概念。1930年，英国天文学家爱丁顿将勒迈特模型与哈勃定律联系起来，称宇宙为膨胀的宇宙。1932年，勒迈特进一步提出，观察到的宇宙是由一个巨大的原始火球爆炸形成的。20世纪40年代末，在发现太阳的巨大能量来自热核反应之后，美国物理学家加文将宇宙膨胀理论与基本粒子的运动联系起来，提出了热大爆炸宇宙学。他认为宇宙起源于一次高温、高密度的“原始火球”爆炸。热爆炸模型提出后，很少有人关心它。直到1965年，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(也称为宇宙背景辐射)，大爆炸理论才成为最有影响力的理论。随着其他研究人员随后的测量，宇宙背景辐射已经成为大爆炸模型有效性的有力见证，它是考虑宇宙中足够大的流动的一个有用的“绝对框架”，并且由于其各向同性而成为出版星系形成理论的一个重要限制。天文学家认为，所谓的大爆炸不能想象为爆炸后高密度和高能量以高速冲进已经存在的空间。如果是这样，原来的爆炸中心会留下一个逐渐增大的洞。同时，当爆炸发生时，辐射比物质传播得更快，因此，爆炸发生时发出的所有辐射都将与物质分离。事实上，这两种现象都不存在，所以大爆炸必须想象成自大爆炸以来空间本身以光速膨胀。大爆炸理论很自然地解释了许多观察现象，理论和观察结果非常一致。但是也有一些问题，其中最突出的是“原始火球”是从哪里来的？一些天文学家认为，起初宇宙是一种极其稀薄的气体，由于万有引力的作用，它逐渐收缩成一种超致密的物质。然后它再次爆炸，经过膨胀阶段，回到稀薄状态，这几乎和绝对真空一样。我们碰巧生活在宇宙相对完整的非常短的时期。自然，它可以在未来收缩、爆炸并再次膨胀。1965年，美国天文学家桑德甚至估计，这个“脉动宇宙”的每次振荡都需要800多亿年。这个理论是现实还是“神话”目前还不能轻易得出结论。其他天文学家不相信星系光谱线的红移是由它们的后退速度造成的，所以不存在宇宙膨胀的问题。然而，除了多普勒效应之外，很难找到红移的另一种解释，至少目前如此。一种解释是，发射光谱的物体由于其不同的物理状态而产生红移。例如，由于星系的特殊引力，发射光谱中的红移特别大，这被称为引力红移。引力红移是广义相对论的预测之一。根据广义相对论，当观察者从远离引力场的地方观察引力场中辐射源发出的光时，谱线向长波方向移动，移动量与辐射源和观察者之间的引力势差成正比。这一效应首先在白矮星中得到证实。然而，根据引力理论的计算结果，引力对红移的影响很小，不足以解释观测到的星系红移现象。另一种解释是光和物质在传输过程中的相互作用产生了红移。光从星系发出后，需要数万光年才能到达地球。在长距离传播中，光穿过许多星系际介质区域，光和介质之间有一些相互作用，导致光谱红移。星系越远，它在途中遇到的介质越多，因此红移越大。然而，对于光如何与介质相互作用产生红移，还没有令人满意的解释。另一种解释是光本身的变化引起的红移。在数千万年的光传播过程中，光子经历了老化，它们的波长变长，导致红移。由此，可以推断出星系光传播得越远，红移出现的时间越长。这个假设还没有被实验证实。

类星体红移就像星系红移问题陷入僵局一样，这个问题由于20世纪60年代类星体红移的出现而变得更加复杂。根据对类星体物理性质的研究。诚然，类星体是银河系外的物体。属于银河级。在这种情况下，它们的红移能像正常的星系一样被解释为退化并符合哈勃定律吗？很难直接验证这一点，因为类星体的距离尚未确定。根据类星体的统计，发现它们在红移视星等图上的分布是不规则的。原因是什么？大多数天文学家坚持认为类星体的红移是宇宙红移，即红移反映了后退，红移和距离之间存在哈勃关系。证据是类星体的物理性质非常类似于一些活跃的星系，这些星系已经被证明满足哈勃定律。此外，已经发现几个类星体分别非常接近或位于一组星系内，类星体和星系组的红移大致相等。还发现一些类星体非常靠近一些星系，类星体和星系的红移大致相同。他们认为类星体在红移视星等图上扩散的原因是因为类星体矩阵的绝对星等色散太大，而不是因为哈勃定律无效。一些天文学家认为类星体的红移不是宇宙学上的。根据一些类星体和亮星系的抽样统计，我们发现一些星系或星系和类星体的红移是完全不同的或非常不同的。此外，我们发现在一些类星体的光谱中，它们的吸收线和发射线的红移是不同的，不同的吸收线也有不同的红移，即多次红移。然而，同形成天体的不同红移和同一天体的多次红移不能用多普勒效应来解释，必须找到一种新的红移机制。除了上面提到的红移机制，如引力红移、光子老化和物理常数的变化，还有所谓的“横向多普勒效应”。类星体的大红移可能表明它的横向速度非常大。上述观点有些只是假设，有些是基于理论，但它们不能很好地解释类星体的红移。那些持有非宇宙学红移观点的人认为类星体的红移是对现代物理学的挑战。对星系中普遍存在的谱线红移的观察和研究极大地促进了现代宇宙学的迅速发展，现代宇宙学关注的是整个哈勃体积的结构、起源和演化。一旦星系红移的真相被揭示，人类对宇宙的理解肯定会有更大的飞跃。