自詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射以來，人們對宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系，即“紅移”最高的星系重新產(chǎn)生了興趣。

“紅移”是很多人以前遇到過的一個術(shù)語，但它到底是什么？為什么星系會發(fā)生紅移？紅移如何衡量距離？

紅移解釋

紅移顧名思義。光由波組成，波的波長決定了它們的顏色。

我們用望遠(yuǎn)鏡觀察到的遙遠(yuǎn)星系的光比很久以前該星系發(fā)出的光顏色稍紅——波長已經(jīng)向光譜的紅端移動。

但是為什么會這樣呢？

紅移和多普勒效應(yīng)

通常，這種紅移被錯誤地解釋為多普勒效應(yīng)，即物體的運動會改變它發(fā)射的波長。

如果它正在遠(yuǎn)離，那么每個新的波峰都會從離觀察者稍遠(yuǎn)的距離發(fā)射，因此每個后續(xù)波峰需要更長的時間才能到達(dá)，對應(yīng)于更長的觀測波長。

對于聲波，這意味著音調(diào)較低；對于光，則意味著更紅的顏色。

在接近光源的情況下，我們觀察到更短的波長（更高的音高或“藍(lán)移”）。

物體朝向或遠(yuǎn)離觀察者移動得越快，偏移就越大。

星系離得越遠(yuǎn)，它的光就越多地轉(zhuǎn)移到更長的波長——這種效應(yīng)被稱為紅移

1842年，奧地利物理學(xué)家克里斯蒂安·多普勒預(yù)言了這種現(xiàn)象。

1845年，荷蘭氣象學(xué)家巴洛特(Christophorus Buys Ballot)在一次著名的實驗中首次證明了聲音的多普勒效應(yīng)。

站臺上的觀察者聽到了音高的變化——火車駛近時音高變高，駛離時音調(diào)變低。

三年后，法國物理學(xué)家斐佐(Armand Hippolyte Fizeau)觀察到星光中的多普勒頻移。

利用光譜特征——出現(xiàn)在特定波長的亮線——他可以判斷觀察到的波長偏移了多少，揭示了恒星沿視線的速度：它的視向速度。

然而，直到1912年洛厄爾天文臺的天文學(xué)家維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系都顯示出較大的紅移，這意味著它們以每秒數(shù)百甚至數(shù)千公里的速度后退時，才出現(xiàn)了更大范圍內(nèi)的紅移觀測。

但比利時宇宙學(xué)家喬治·勒梅特 (Georges Lema?tre) 和他的美國同事埃德溫·哈勃 (Edwin Hubble) 在1920年代發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了一切。

問題是：星系并不像許多人認(rèn)為的那樣在靜止的空間中奔跑。

相反，真空本身正在膨脹，將星系推得越來越遠(yuǎn)。如果沒有真正的空間運動，多普勒效應(yīng)就不會發(fā)揮作用。

當(dāng)光穿過膨脹的空間時，它被拉伸到更長

紅移和星系

那么為什么星系會發(fā)生紅移呢？好吧，想想一個遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出的具有特定波長的光波。

這些光波到達(dá)地球可能需要數(shù)百萬年。

在此期間，空曠的空間正在膨脹，隨之拉伸光波，因此它們以更長、更紅的波長到達(dá)地球。

這種類型的紅移稱為宇宙紅移。

這是距離和紅移之間的關(guān)系：星系離我們越遠(yuǎn)，它的光到達(dá)我們這里所需的時間就越長。

更長的光傳播時間意味著更多的宇宙膨脹、更多的波長拉伸以及更高的紅移。

星系在太空中運動的多普勒頻移可能會略微調(diào)整這種宇宙學(xué)紅移，但這對遙遠(yuǎn)的物體影響很小，因此觀測到的星系紅移通常是其距離的可靠指標(biāo)。

所以忘掉星系在太空中彼此加速遠(yuǎn)離的想法，而是記住空間本身正在膨脹，不斷地拉伸通過它傳播的光波。

顯示宇宙從大爆炸到現(xiàn)在的膨脹

天文學(xué)家如何描述紅移

天文學(xué)家使用波長變化的百分比來描述光的紅移（用z表示）。

例如，如果一個星系發(fā)出的波長為500納米的可見光以700納米的波長到達(dá)地球，則它已經(jīng)紅移了200納米。

與原來的相比有40%的變化，因此它的紅移為z=0.4。

回顧過去

JWST發(fā)現(xiàn)了有史以來最古老的星系

你看得越遠(yuǎn)，你看到的時間就越遠(yuǎn)。

有史以來觀測到的最遙遠(yuǎn)的星系是如此遙遠(yuǎn)，以至于它們的光——即使它以每秒300,000 公里的驚人速度移動——也需要超過130億年才能到達(dá)地球，這意味著我們看到的是它們在童年時期的樣子宇宙的日子。

那時，最早的恒星發(fā)射出大量高能紫外線，典型波長為幾百納米。

但是由于光的傳播時間長和相應(yīng)的大宇宙學(xué)紅移，這些高能光波一直紅移到光譜的紅外部分，波長為幾微米。

這就是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡配備紅外照相機和光譜儀的原因之一——這是研究宇宙中最遙遠(yuǎn)和最早的星系的唯一途徑。