暢遊科學海洋，共尋宇宙之妙，大家好，我是南城~
今天，我們來聊聊光線「紅移」的產生。
當您觀察填充宇宙的恆星和星系時，所看到的光與那些恆星和星系發出的光不同。因為在它到達我們的眼睛之前，它必須傳播很長的距離——從最近的恆星的幾光年到最遙遠的星系的數十億光年，並與宇宙中的每一個障礙作鬥爭。 所以，我們要如何知道所看到的光實際上告訴我們什麼呢？
這就是彼得·埃赫特（Peter Ehret）想要知道的，他問道：
如果光在正在擴展的空間中移動，那麼速度是否可以歸因於潛在的空間擴展？一個投手從靜止狀態投球時以100英裡/小時的速度投擲，但從以25英裡/小時的速度移動的平臺上的相同投球則以125英裡/小時的速度飛行。像光一樣嗎？就光速而言，紅色或藍色偏移是什麼意思？宇宙就是這樣，有很多需要解釋的東西。
想像一下，您有一個遙遠的物體位於銀河系之外。在您的腦海中，您可以簡單地畫一條直線，將那個遙遠的星系與我們連接起來，然後沿著那條直線傳播的圖像光直達我們的眼睛。你可以做一個簡單的想像：
1. 計算該線的距離（以光年為單位），
2. 想像一個光子離開它的家星系，
3. 沿著那條線行駛正確的時間（以年為單位），在太空中穿越該距離，
4. 然後看到光子到達我們這裡
當我們測量來自遙遠物體的光時，得不到其本身的真正信息。取而代之的是，該光線會受到其路徑上所有物體的影響，並且我們最終觀察到的光線與從遙遠的河外光源發出的光線完全不同。
星系越遠，它越遠離我們的視線範圍，它的光就越顯現紅移。今天，與膨脹的宇宙一起移動的銀河系比從它發出的光到達我們的年數（乘以光速）還要大得多。但是，只有將紅移和藍移歸因於運動（特殊相對論）和空間結構的擴展（一般相對論）兩者的結合，我們才能理解紅移和藍移。
光由於沒有靜止的質量，卻仍然攜帶著能量和動量，因此在穿過宇宙時永遠不會減速。它只能以光速行進。具有質量的物體的移動始終會比光速慢——因為將其加速到光速將需要無限量的能量，而光本身必須始終以相同的速度傳播。
僅當它不在真空中時，即當它穿過包含物質的介質時，光線才會減速。這種減慢以不同的量影響不同頻率（或顏色）的光，就像通過稜鏡的白光如何以不同角度分成不同的顏色一樣，因為光減慢的量取決於光子的各個能量。然而，一旦回到真空狀態，它將恢復以光速運動。唯一的區別是穿過介質的光現在變得模糊了。
由稜鏡散射的連續光束的示意圖動畫。如果您有紫外線和紅外線的眼睛，您將能夠看到紫外線的彎曲程度甚至比紫色/藍色的彎曲程度大，而紅外線的彎曲程度卻比紅色的彎曲程度小。在真空中，光速是恆定的，但是不同波長的光以不同的速度穿過介質。
早在相對論的早期，愛因斯坦的理論及其所作的預測就面臨著許多挑戰：
1. 光是否始終以恆定的速度在宇宙中移動？
2. 光真的不需要通過的媒介嗎？
3. 空間結構是否會由於物質和能量的存在而真正彎曲和變形？
4. 宇宙真的在膨脹嗎？
這種情況像是疲倦的燈光場景，該場景預測光在穿過空間介質時會損失能量。到達的光看起來比必須發出的光具有更少的能量，但是在較遠的距離上缺少增加的模糊可以排除這一點。光確實在空間真空中以恆定的，與波長無關的速度移動，不需要基於實驗和觀察的介質。最令人興奮的是，與愛因斯坦的預測一致，空間的構造確實確實在質量附近顯示出曲率。
在日全食期間，不僅可以看到太陽的日冕，而且在右邊的日食下也是如此條件，恆星位於很遠的距離。有了正確的觀察，就可以對照牛頓引力的預測來檢驗愛因斯坦廣義相對論的有效性。1919年5月29日的日全食現在已經整整100年前了，也許標誌著人類科學史上的最大進步。但是，涉及引力紅移的完全不同的思想實驗可能早在幾年前就已經證明了狹義相對論的不足。
如果愛因斯坦的廣義相對論（將狹義相對論和光速恆定與引力結合在一起）是正確的，那麼光速在穿過宇宙時就永遠不會改變。光可以經歷的所有不同事物，從在彎曲和擴展的空間中傳播到穿過介入的物質（正常物質和黑暗物質），再到發射源和觀察者的相對運動，均會影響到它，但不會改變其速度。
光補償可能影響其能量的所有不同事物的方式是通過獲得或損失能量，這可以轉換為：
1. 藍移，對應於能量增益，其波長的縮短和頻率的增加，
2. 紅移，它對應於能量損失，其波長的延長和其頻率的降低。
3.
當我們考慮所有因素時，我們發現光在穿過宇宙的過程中會受到五種主要影響：
這個簡化的動畫顯示了光線如何發生紅移以及未綁定對象之間的距離如何變化隨著時間的流逝在不斷擴展的宇宙中。請注意，這些物體的開始距離比光在它們之間傳播所花費的時間更近，由於空間的擴大，光發生紅移，並且兩個星系的距離比交換的光子所走的光移動路徑遠得多。它們之間。
1.）空間結構擴展。這是造成遙遠星系發生紅移的主要原因。光從太空中傳播，自大爆炸以來，光隨著時間的流逝而擴展，而擴展的空間則擴展了穿過光的波長。
由於光的能量是由其波長決定的，所以光越遠離發射星系，紅移就會變得越嚴重，因為距離越遠的星系需要更多的時間才能最終到達地球。我們對光沿直線，不變路逕行進的幼稚圖片僅在非擴展宇宙中起作用，該宇宙既不描述我們看到的內容，也不描述廣義相對論的預測。宇宙正在擴展，這是我們看到的紅移的主要貢獻者。
相對於觀察者移動的發光對象將具有它發出的光根據觀察者的位置而變化。左側的某人會看到光源從其移開，因此光線將發生紅移。當信號源向它移動時，位於信號源右側的人會看到它藍移或移到更高的頻率。
2.）物體相對於我們的運動。就像警笛在向您移動時聽起來高音而在遠離您時降低聲音一樣，我們觀察到的光的頻率會根據較高的頻率（藍移）或較低的頻率（紅移）而變化，具體取決於源和觀察者的相對速度。
在天文學中，我們將其稱為「奇特速度」，因為它主要是由於所討論的星系相對於我們的速度而產生的，通常為每秒數百或數千公裡。在相同距離處的兩個星系，其紅移或藍移可能會顯著不同，尤其是在異常運動最快的富星系團內部。我們可以確定並量化這一事實，這告訴我們，這並不是宇宙學紅移的主要貢獻者。
一個遙遠的背景星系被中間充滿星系的星團如此強烈地鏡頭，以致 可以看到三個獨立的背景星系圖像，它們的光旅行時間明顯不同。
3.）引力透鏡。空間的結構不僅在擴展，而且還因宇宙中物質和能量的存在而彎曲。這種曲率意味著任意兩點之間的距離不是一條直線，而是一條穿過空間的彎曲路徑：一條測地線。根據彎曲的空間的多少，這可能會使光的到達比沒有這些質量和額外的曲率時所花費的時間延遲更多的時間，這意味著光的傳播必須比其傳播的時間更長。 ，通過不斷擴展的宇宙。
該額外的時間延遲裝置，該光經歷附加的紅移，並且甚至一個引力透鏡源，通過更多（或更少）嚴重彎曲的空間以下獨立的路徑表現出的多個圖像將具有不同的圖像不同的紅移。廣義相對論要求存在這種效果，即使我們的天文設備還不夠先進也無法探測到它。
這幅NASA / ESA哈勃太空望遠鏡的圖像顯示了一個巨大的星系團PLCK_G308.3-20.2，發光的在黑暗中明亮地 ESA普朗克衛星通過Sunyaev-Zel'dovich效應發現了這一點-團簇內氣體中的高能電子使宇宙微波背景輻射向銀河星團方向變形。中心的大型星系是星團中最明亮的星系，在其上方可以看到細的彎曲的重力透鏡弧。這就是遙遠的宇宙的巨大景象。
4.）與物質的相互作用。宇宙大都是空的，但物質仍然存在。尤其是，很多事情是以氣體（溫度不同）或電離等離子體的形式出現的。當光穿過可以與帶電粒子（特別是電子）相互作用的物質時，其中的一些光將被激發到更高的能量，不再被觀察到，從而改變了該光的光譜。
儘管對於大爆炸留下的光來說，這是最可觀察到的，但原則上，它對於所有形式的光都會發生，並且會改變我們觀察到的光的溫度和光譜，然後再到達檢測器。由於與穿過它的光相互作用的氣體/等離子體的溫度，運動和極化，這會影響光。它在實踐中僅起很小的作用，但確實有效果。
當恆星接近，然後到達恆星或恆星周圍的軌道的圍堵時超大質量黑洞，其引力紅移和軌道速度都增加。如果我們能夠測量出運行中的恆星的適當影響，那麼我們應該能夠確定中心黑洞的性質，包括其質量以及它是否遵守特殊和廣義相對論的規則。
5.）引力紅移。當您是一個發光的大物體時，該光必須爬出質量產生的引力。由於光不能減速（它總是以光的速度移動），這意味著它必須損失能量才能到達星際或銀河系空間。同樣，在光線到達您的眼睛之前，它必須落入我們自己的本地群，星系和太陽系的引力中，從而導致能量增加和藍移。
所有這些都會影響光的頻率。除此之外，結構會隨著時間在宇宙中活躍地形成，因此光子落入的引力（例如，如果它穿過星系團）可能與數百萬年後的引力不同。從中爬出來。重力勢能和重力勢能變化的這些影響 已被檢測到，並有助於最終觀察到的光的紅移。
在完整的紫外線可見光下，哈勃極限深場的一部分，這是迄今為止獲得的最深圖像。 此處顯示的不同星系的距離和紅移不同，這使我們能夠了解宇宙今天是如何擴展的，以及該擴展率是如何隨著時間變化的。
光速在空間真空中永遠不會改變。僅當通過介質時（並且僅當光通過該介質時），光速才與最終宇宙速度極限c有所不同。但是，當光穿過宇宙時，有五個可能導致紅移或藍移的真實影響，最重要的是我們可以定量地解釋所有這些影響。
這就是宇宙中物質的影響，空間的不斷擴展和演化，以及不同質量和形式的能量如何穿越並影響該空間。所有這些都會影響穿過太空的光線，但不會改變其速度。相反，它們會改變光的傳播路徑和光所具有的波長，而這一切都與眾不同。只有綜合考慮所有影響，我們才能真正了解光在穿過不斷擴展的宇宙時發生了什麼。
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