畅游科学海洋，共寻宇宙之妙，大家好，我是南城~
今天，我们来聊聊光线“红移”的产生。
与中间星系相比，在附近和远距离看到的星系较少，但这是由于星系合并和进化的结合，也无法看到超远，超微弱的星系本身。了解来自遥远宇宙的光线如何发生红移时，有许多不同的作用在起作用。
美国宇航8 e L + V T x V局/欧空局
当您观察填充宇宙的恒星和星系时，所看到C O ? @ 6 # W m *的光与那1 c K ~ v 8 r B些恒星和星系发出的光不同。因为在它到达我们的眼睛之前，它必须传播很长的距离——从最近的恒星的几光年到最遥远的星系的数十亿光年，并与宇宙中的每一个障碍作斗争。 所以，我们要如何知道所看到的光实际上告诉我们什么呢？
这就是彼得埃赫特（Peter Ehret）想要X O 5 H ( . R知道的，他问道：
如果光在正在扩展的空间中移动，那么速度是: u D k g b 6 x否可以归因于潜在的空间扩展？一个投手从静止状态投球时以100英里/小时的速度投掷，但从以25英里/小时的速度移动的平台上的相同投球则以125英里/小L ` O V d Z d时的速度飞行。像光一样吗？就光速而言，红色或蓝色偏移是什么意思？
宇宙就是这样，有很多需要解释的东西。
遥远的星系MACS1149-JD1被前景星团引力地镜头，使其成为即使没有下一代技术，也可以高分辨率和多种仪器成像。大爆炸之后的5.3亿年以来，这个银河系的光芒传给了我们，但其中的恒星至F 1 k少存在2.8亿年。- 4 } w它是第二远的星系，在光谱上得到确认，它距我们的距离为307亿光年。
ALMA（ESO /@ M . q C d NAOJ / N5 - ? BRAO），NASA / ESA哈勃太空望远镜，W。郑（JHU），M。POL t t m 7STMAN（STSCI），CLASH团队，7 } & i F -HASHIMOTO ET AL。
想象w : ; 5 N T f z一下，您有一个遥远的物体位于银河系之外。在您的脑海中，您可以简单地% p o f , ]画一条直线，将那个遥远的~ A | = 3 8星系与我们连接起来，然后沿着那. U f Y L条直线传播的图像光直达我们的眼睛。你可以做一个简单的想象：
- 计算该线的距离（以光/ h ; Z g 4 g = l年为单位），
- 想象一个光子离开它的家星系，
- 沿着那条线行驶正确的时间（以年为单位），在太空中穿越该距离，
- 然后看到光子到达我们这里
当我们测量来自遥远物体的光时，得不到其本身的真正信息。取o L { t L而代之的是，Q a ` p - ^该光线会受到其路径上所有物体的影~ , R 4 D j [ R _响，并且我们最终观察到的光线与从遥远的河外光源发出的光线完全不同。
星系越远，e U J E它越远离我们的视线范围，它的% d 1 ~ H T光就越显现红移。今天，与膨胀的宇宙一起移动的银河系比从它发出的光到达我们的年数（乘以光速）还要大得多。但是，只有将红移和蓝移归因A 1 + A p H B h于运动（特殊相对论）和空间{ | ~ Z % ) J ^结构的扩展（一般相对论）两者的结合4 q K ( y t，我们才能理解红移和蓝移。
光由于没有静止的质量，却仍然携带着能量和动量，因此在穿过j v L l Y宇宙时永远不会减速。它只能以光速行进。具有质量的物体的移动始终会比光速慢——因为将其加速到i b M 7光速将需要无限量的能量，而光本身必须始终以相同的速度传播。
仅当它不在真空中时，即当它穿过包含物质的介质时，光线才会减速。这种减慢以不同的量影响不同频率（或颜色）的光，就像通过棱镜的白光如何以不同角度分成不同的颜色一样，因为光减慢的量取决于光子的各个能量。然而，一旦回到真空状态，它将恢复以光速运动。唯一的区别是穿过介质的光现在变得模糊了。
由棱镜散射的连续光束的示意图动画。如果您有紫外线和红外线的V y T w眼睛，您将能够看到紫外线的弯曲程度甚至比紫色/蓝色z k B c o =的弯曲程度大，而红外线的弯曲程度却比红色的弯曲程度小。在真空中，光速是. H 9 @恒定的，但是不同波长的光以不同的速度穿过介质。
LUCASVB / WIKIMEDIA COMMONS
早在相对论的早期，爱因斯坦的理论及其所作的预测就面临着许多挑战：; s k V G E f K
- 光是否始终C 6 S w以恒定的速度在宇宙中移动？
- 光真的不需要通过的媒介吗？
- 空间结构是否N A T会由于物质和能量的存在而真正弯曲和变形？
- 宇宙真的在膨胀吗？
这g n K u z z种情况像是疲倦的灯光场景，该场景预测光在穿过空间介质时会损失能量。到达的光看起来比必须发出的光具有更少的能量，但是在较远的距离上缺少增加的模糊可V h r D 6 F 4 c `以排除这一点。光确实在空间真空中以恒定的，与波长无关的速度移动，不需要基于实验和观察的介质。最令人兴奋的是，与爱因斯坦的预测一致，空间的构_ J 0 # g D造确实确实在质量附近显示出曲率。
在日全食期间，不仅可以看到太阳的P z W / k日冕，而且在右边的日食下也是如此条件，恒星位于很远的距离。有了正确的观察， h a H F ? U [就可以对照牛顿引力的预测来检验爱因斯坦广义相对论的有效性。1919年5月29日的日全食现在已经整整100年前了，也许标志着人类科学史上的最大进步。但是，涉及引力红移的完全不同的思想实验可能早在几年前就已经证明了狭义相对论的不足。
MILOSLAV DRUCKMULLER（布尔诺技术大学），PETER ANIOL和VOJTECH RN w ) & i V N 2USIN
如果爱因斯坦} s k 8 k g F w 7的广义相对论（将狭义相对论和光速恒定与引力结合在一起）是正确K 8 O y的，那么光速在穿过宇宙时就永远不会改变。光可以经历的所有不同事物，从在弯曲和扩展的空间中传播到穿过E j @ ; s I X E介入的物质（正常物质和黑暗物质），再到发射源和观察者的相对运动，均会影响到它，但不会改变其速度。
光补偿可能影响其能量的所有不同事物的方式是通过获得或损失能量，这可以转换为：
- 蓝移，对应于能量增益，其波长的缩短和频率的增加，
- 红移，它对应于能量损失，其b M L f F / z K `波长的延长和其频率的降低。
当我们考虑所有因S ! + a 5 M y素时，我们发现光在穿过宇宙的过程中会受到五种主要影响：
这个简化的动画显示了光线如何发生红移以及未绑定对象之间的距离如何变化随着时间的e m ) / , 7 _ S C流逝在不断扩展的宇宙中。请注意，这些物体的开始距离比光在它们之间传播所花费的时间更近，由于空间的扩大，光发生红移，并且两个星系的距离比交换的光子所走的光移动路径远得多。G d ^ | 0 Q它们之间。
罗伯诺普
1.）空间结构扩展。这是造成遥远星系发生红移的主要原因。光从太空中传播，自大爆炸以来，光随着时间的流逝而扩展，q r Z M m而扩展的空间则扩展了穿过光的波长。
由v C O t d 7 6 `于光的能量是由其波长决定的，所以光越远离发射星系，红移就M 8 W会变得越严重，因为距离越远的星系需要更多的时间才能最终到达地球。我们对光沿直线，不变路径行进的幼稚| 8 Z ; + 1 l图片仅在非扩展宇宙中起作用，该宇宙既不描述我们看到的内容，也不描述广义相对论的R x k + T f预测。宇宙正在扩展，这是我们看到的红移的主要贡献s ` [者。
相对于观察者移动的发光对象将具有它发出的光根据观察者的位置而变化。左侧的$ B f z 5 q | R某人会看到光源从其移开，因此光线将发生红移。当信号源向它移动时7 6 u @ o ! o 6 ，位于信号源右侧的人会看到它蓝移或移到t ; v = L f更高的频率。
WIKIMEDIA COMMONS: e W 5 N W 5 2用户TXALIEN
2.）物体相对$ w S于我们的运动4 2 / [ w ^ { L。就像警笛在向您D 6 $ C Y P E移动时听起来高音而在远离您时降低声音一样，我们观察到的光的频率会根据较高的频率（蓝移）或较低的频率（红移）而变化，具体取决于源和观察者的相对速度。
在天K s | _ &文学中，我们将其称为“奇特速度”，因为它主要是由F D n s 6 y u =于所讨论的星系相对于我们的速度而产生的，通常为每秒数百或数千公里。f d H * W _ x在相同距离处的两个星系，其红移或蓝移可能会显着不同，尤其是在异常运动最快的富星系团内部。我们可以确定并量化这一事实A q I I w 4 ! r K，这告诉我们，这并不是宇) & X宙学红移的主要贡献者。
一个遥远的背景星系被中间充满星系的星团如此强烈地镜头，以致 可以看到三个独立的背景星系图像J ) ( C 0 J q，它们的光旅行时间明显不同。+ d i 8 Z _ I n )
美国宇航局和欧空局
3.）引力透镜。空间的结构不仅在扩展，而且还因宇宙中物质和能量的存在而弯曲。这种曲率意味着任意两点之间的距离不是一条直线，而是一条穿过空间的弯曲路径：一条测地线。根据弯曲的` $ 4 @ k空间的多少，这可能会使光的到达比没有这些质量和额外的曲率时所花费的时间延迟更多的时间，这r Y C意味着光的传播必须比其传播的时间更长。 ，通过不断扩展的宇宙。
该额外的时间Y e . e C s延迟装置，该光经历附加的红移，并且甚至一个引力透镜源，通过更多（或更少）严重弯曲的空间以下独立的路径表现出的多个图像将具有不同的图像不同的红移。广义相对论要求存在这种效果，即使我们的天文设备还不够先进也无法探测到它。
这幅NASA / ESA哈勃太空望远镜的图像显示了一个巨大的星系团PLCK_G308.3-20.2，发光的在黑暗中明亮地 ESA普朗克卫星: c E )通过Sunyaev-Zel\'dovich_ s p % ( ,效应发现了这一点-团簇内气体中的高能电子使宇宙微波背景辐射向Z M C j ) D银河星团方向变形。中心的大型星系是星团中最明亮的星系，在其上方可以F D o ! s f #看到细的弯曲的重力透镜弧。这就是遥远的宇宙的巨大景象。! E u M % * r 4 7
ESA /哈勃与NASA，RELICS；致谢：D. COE等. d ( z s = + P P。
4.）与物质的相互作用。宇宙大都是空的，但物质仍然存在。尤其是，很多事情是以气体（温 G ? d { ` Y T度不h Z P _ 7 N m同）或电离等离子体的形式出现的。当光穿过可以与带电粒子（特别是电子）相互作用的物质时，其中的一些光将被激发到更高的能量，不再被观察到，从而改变了该光的光谱。
尽管对于大爆炸留下的光来说，这是最可观察到的，但原则上，它对于所有形式的光都会发生，并且会改变我们观察到的光的温度和光谱，然后再到达检测器。由于与穿过它的光相互作用的气体/等离子体的温度，运动和极化，这会影响光。它在实践中仅起很小的作用，但确实有t ( X ` v效果。
当恒星接近，然后到达恒星或恒星周围的轨道S h ^ ^的围堵时超大质量黑w 6 k k洞，其引力红移和轨道速度都增加。如果我们p G _能够测量出运行中的恒星的适当影响，那么我们应该能够确定中心黑洞o 0 3 E ? M ; 6的性质，包括其质量以及它是否遵守特殊和广义相对论的规则。
NSF妮可R.富勒
5.）引力红移。当您是一U v g c x 7 C个发光的大物体时，该光必须爬^ # C c出质量产生的2 ; 9 { Z G [引力e & H [ E。由于光不能减速（它总是以光的速度移动），这意味着它必须损失能量才能到达星际或银河系空间。同样，在光线到达您的眼睛之前，它必须落入我们自己的本地群，星系和太阳系的引力中，从而导致能量增加和蓝移。
所有这些都会影响光的频率。除此之外，结构会随着时间在宇宙中活跃地形成5 g z G，因此光子落入的引力（例如，如果它穿过星系团）可能与数百万年后的引力不同。从中爬出来。重力势能和重力势能变化的这些影响 已被检测到，并有助于最终观察到的光的红移。
在完整的紫外W t f m s _ K线可见光下，哈勃极限深场的一部分，这是迄今为止获得的最深图像。 此处显示的不同星系的距离和红移不同，这使我们能够了解宇宙今天是如何扩展的，以及该扩展率是如何随着时间变化的。
NASA，ESA，H。# j 7 i 8 : C *TEPLITZ和M.RAFELSKI（IPAC / CALTECH），A。KOEKEMOER（STSCI），R.WINDHORST（亚利桑那州立大学）和Z.LEVAY（STSCI）
光速在空间真空中永远不会改变。仅当通过介质4 { / h时（并且仅当光通过该介质时），光速才与最终宇宙速度极限c有所不同 。但是，当光穿过宇宙k j f a t T = g X时，有五个可能导致红移或蓝移的真实影响，最重要的是我们可以定量地解释所有这些影响。
这就是宇宙F M B )中物质的影响，空间的不断扩展和演化，以及不同K R P h ) S 9 a l质量和形式的能量如何穿越并影响该空间。所有这些都会影响穿过太空的光线，r @ o 2 g 5但不会改变其速8 i s 3 ? z G M度。相反，它们会改变光的传播路径和光所具有的波长，而这一切都与众不同. 1 # w V ]。只有综合考虑所有影响，我们才能真正了解光在穿过不断扩展的宇宙时发生了什么。
蟹蟹大家耐心看完，是不是想说点什么呢，欢迎转发评论哦！我们下期再见~
