[科普中國(guó)]-紅移

簡(jiǎn)介

紅移在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域，指物體的電磁輻射由于某種原因波長(zhǎng)增加的現(xiàn)象，在可見(jiàn)光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線(xiàn)朝紅端移動(dòng)了一段距離，即波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率降低。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動(dòng)及規(guī)律的預(yù)測(cè)上。

紅移最初是在人們熟悉的可見(jiàn)光波段發(fā)現(xiàn)的，隨著對(duì)電磁波譜各個(gè)波段的了解逐步深入，任何電磁輻射的波長(zhǎng)增加都可以稱(chēng)為紅移。對(duì)于波長(zhǎng)較短的γ射線(xiàn)、X-射線(xiàn)和紫外線(xiàn)等波段，波長(zhǎng)變長(zhǎng)確實(shí)是波譜向紅光移動(dòng)，“紅移”的命名并無(wú)問(wèn)題；而對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線(xiàn)、微波和無(wú)線(xiàn)電波等波段，盡管波長(zhǎng)增加實(shí)際上是遠(yuǎn)離紅光波段，這種現(xiàn)象還是被稱(chēng)為“紅移”。1

當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀(guān)測(cè)者觀(guān)察到的電磁波譜會(huì)發(fā)生紅移，這類(lèi)似于聲波因?yàn)槎嗥绽招?yīng)造成的頻率變化。這樣的紅移現(xiàn)象在日常生活中有很多應(yīng)用，例如多普勒雷達(dá)、雷達(dá)槍[1]，在分光學(xué)上，人們使用多普勒紅移測(cè)量天體的運(yùn)動(dòng)[2]。這種多普勒紅移的現(xiàn)象最早是在19世紀(jì)所預(yù)測(cè)并觀(guān)察到的，當(dāng)時(shí)的部分科學(xué)家認(rèn)為光的本質(zhì)是一種波。另一種紅移機(jī)制被用于解釋在遙遠(yuǎn)的星系、類(lèi)星體，星系間的氣體云的光譜中觀(guān)察到的紅移現(xiàn)象。紅移增加的比例與距離成正比。這種關(guān)系為宇宙在膨脹的觀(guān)點(diǎn)提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。2

當(dāng)光源移動(dòng)遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者時(shí)，觀(guān)測(cè)者觀(guān)察到的電磁波譜會(huì)發(fā)生紅移，這類(lèi)似于聲波因?yàn)槎嗥绽招?yīng)造成的頻率變化。這樣的紅移現(xiàn)象在日常生活中有很多應(yīng)用，例如多普勒雷達(dá)、雷達(dá)槍?zhuān)谔祗w光譜學(xué)里，人們使用多普勒紅移測(cè)量天體的物理行為。

另一種紅移稱(chēng)為宇宙學(xué)紅移，其機(jī)制為空間的度規(guī)膨脹。這機(jī)制說(shuō)明了在遙遠(yuǎn)的星系、類(lèi)星體，星系間的氣體云的光譜中觀(guān)察到的紅移現(xiàn)象，其紅移增加的比例與距離成正比。這種關(guān)系為宇宙膨脹的觀(guān)點(diǎn)提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。

另一種形式的紅移是引力紅移，其為一種相對(duì)論性效應(yīng)，當(dāng)電磁輻射傳播遠(yuǎn)離引力場(chǎng)時(shí)會(huì)觀(guān)測(cè)到這種效應(yīng)；反過(guò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電磁輻射傳播接近引力場(chǎng)時(shí)會(huì)觀(guān)測(cè)到引力藍(lán)移，其波長(zhǎng)變短、頻率升高。

紅移的大小由“紅移值”衡量，紅移值用Z表示，定義為：

這里 是譜線(xiàn)原先的波長(zhǎng)， 是觀(guān)測(cè)到的波長(zhǎng)， 是譜線(xiàn)原先的頻率， 是觀(guān)測(cè)到的頻率。

類(lèi)別紅移有3種：多普勒紅移（由于輻射源在固定的空間中遠(yuǎn)離我們所造成的）、引力紅移（由于光子擺脫引力場(chǎng)向外輻射所造成的）和宇宙學(xué)紅移（由于宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對(duì)于不同的研究對(duì)象，牽涉到不同的紅移。

多普勒紅移1.由于多普勒效應(yīng)，從離開(kāi)我們而去的恒星發(fā)出的光線(xiàn)的光譜向紅光光譜方向移動(dòng)。

2.一個(gè)天體的光譜向長(zhǎng)波（紅）端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由于運(yùn)動(dòng)、引力效應(yīng)等被拉伸而使波長(zhǎng)變長(zhǎng)。因?yàn)榧t光的波長(zhǎng)比藍(lán)光的長(zhǎng)，所以這種拉伸對(duì)光學(xué)波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，于是這些過(guò)程被稱(chēng)為紅移。

3.在高光譜遙感領(lǐng)域的紅移。在植被的光譜曲線(xiàn)中，遭脅迫的植物的紅-紅外透射曲線(xiàn)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)（Cibula和Carter， 1992）的現(xiàn)象稱(chēng)為“紅端偏移”簡(jiǎn)稱(chēng)“紅移”

簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是700納米波長(zhǎng)范圍的拐點(diǎn)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（如右圖曲線(xiàn)）。

引力紅移引力紅移，是強(qiáng)引力場(chǎng)中天體發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。由廣義相對(duì)論可推知，當(dāng)從遠(yuǎn)離引力場(chǎng)的地方觀(guān)測(cè)時(shí)，處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來(lái)的譜線(xiàn)，其波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)一些，也就是紅移。只有在引力場(chǎng)特別強(qiáng)的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測(cè)出來(lái)。引力紅移現(xiàn)象首先在引力場(chǎng)很強(qiáng)的白矮星（因?yàn)榘装潜砻娴囊^強(qiáng)）上檢測(cè)出來(lái)。二十世紀(jì)六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量由地面上高度相差22.6米的兩點(diǎn)之間引力勢(shì)的微小差別所造成的譜線(xiàn)頻率的移動(dòng)，定量地驗(yàn)證了引力紅移。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值完全符合！

區(qū)別多普勒紅移物體和觀(guān)察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致紅移，與此相對(duì)應(yīng)的紅移稱(chēng)為多普勒紅移，是由多普勒效應(yīng)引起的。

通常引力紅移都比較小，只有在中子星或者黑洞周?chē)@一效應(yīng)才會(huì)比較大。對(duì)于遙遠(yuǎn)的星系來(lái)說(shuō)，宇宙學(xué)紅移是很容易區(qū)別的，但是在星系隨著空間膨脹遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，由于其自身的運(yùn)動(dòng)，在宇宙學(xué)紅移中也會(huì)參雜進(jìn)多普勒紅移。3

引力紅移根據(jù)廣義相對(duì)論，光從重力場(chǎng)中發(fā)射出來(lái)時(shí)也會(huì)發(fā)生紅移的現(xiàn)象。這種紅移稱(chēng)為重力紅移。

一般說(shuō)來(lái)，為了從其他紅移中區(qū)別引力紅移，你可以將這個(gè)天體的大小與這個(gè)天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進(jìn)行比較。類(lèi)似星云和星系這樣的天體，它們的半徑是相同質(zhì)量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的量級(jí)也大約是靜止頻率的千億分之一。對(duì)于普通的恒星而言，它們的半徑是同質(zhì)量黑洞半徑的十萬(wàn)倍左右，這已經(jīng)接近光譜觀(guān)測(cè)分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質(zhì)量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級(jí)可以達(dá)到靜止波長(zhǎng)的1/10和1/1000。

宇宙學(xué)紅移20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，觀(guān)測(cè)到的絕大多數(shù)星系的光譜線(xiàn)存在紅移現(xiàn)象。這是由于宇宙空間在膨脹，使天體發(fā)出的光波被拉長(zhǎng)，譜線(xiàn)因此“變紅”，這稱(chēng)為宇宙學(xué)紅移，并由此得到哈勃定律。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)具有極高紅移值的天體——類(lèi)星體，成為近代天文學(xué)中非常活躍的研究領(lǐng)域。

宇宙學(xué)紅移在100個(gè)百萬(wàn)秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對(duì)于比較近的星系，由于星系本身在星系團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)所造成的多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移的量級(jí)差不多，你必須仔細(xì)的別開(kāi)這兩者。通常星系在星系團(tuán)中的速度為3000km/s，這大約與在5個(gè)百萬(wàn)秒差距處的星系的退行速度相當(dāng)。

發(fā)展歷程這個(gè)主題的發(fā)展開(kāi)始于19世紀(jì)對(duì)波動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的探索，因而連結(jié)到了多普勒效應(yīng)。

稍后，因?yàn)榭死锼骨佟ぐ驳铝摇ざ嗥绽赵?842年對(duì)這種現(xiàn)象提出了物理學(xué)上的解釋?zhuān)环Q(chēng)為多普勒效應(yīng)。他的假說(shuō)在1845年被荷蘭的科學(xué)家ChristophHendrikDiederikBuysBallot用聲波做實(shí)驗(yàn)而獲得證實(shí)。多普勒預(yù)言這種現(xiàn)象可以應(yīng)用在所有的波上，并且指出恒星的顏色不同可能是由于它們相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度不同而引起的。后來(lái)這個(gè)推論被否認(rèn)。恒星呈現(xiàn)不同的顏色是因?yàn)闇囟炔煌?，而不是運(yùn)動(dòng)速度不同。

多普勒紅移是法國(guó)物理學(xué)家斐索在1848年首先發(fā)現(xiàn)的，他指出恒星譜線(xiàn)位置的移動(dòng)是由于多普勒效應(yīng)，因此也稱(chēng)為“多普勒-斐索效應(yīng)”。1868年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·哈金斯首次測(cè)出了恒星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度。

在1871年，利用太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)測(cè)出在可見(jiàn)光太陽(yáng)光譜的夫朗和斐譜線(xiàn)在紅光有0.1埃的位移。在1901年，AristarkhBelopolsky在實(shí)驗(yàn)室中利用轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡片證明了可見(jiàn)光的紅移。

在1912年開(kāi)始的觀(guān)測(cè)，VestoSlipher發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的螺旋星云都有不可忽視的紅移。然后，哈勃定律。這些觀(guān)察在今天被認(rèn)為是造成宇宙膨脹大霹靂理論的強(qiáng)而有力證據(jù)。

機(jī)制原理一個(gè)光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機(jī)制，每一種機(jī)制都能產(chǎn)生類(lèi)似多普勒紅移的現(xiàn)象，意謂著z是與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的。這些機(jī)制分別使用伽利略、洛倫茲、或相對(duì)論轉(zhuǎn)換在各個(gè)參考架構(gòu)之間來(lái)比較。

|| ||

多普勒效應(yīng)如果一個(gè)光源是遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者而去，那么會(huì)發(fā)生紅移(z>0)，當(dāng)然，如果光源是朝向觀(guān)測(cè)者移動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移（zc是可能的，因?yàn)榭臻g會(huì)使物體（例如，從地球觀(guān)察類(lèi)星體）遠(yuǎn)離的速度超過(guò)光速。更精確的，“遙遠(yuǎn)的星系退行”的觀(guān)點(diǎn)和“空間在星系之間擴(kuò)展”的觀(guān)點(diǎn)可以通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來(lái)連系。要精確的表達(dá)必須要使用數(shù)學(xué)的羅伯遜-沃克度量。

重力紅移在廣義相對(duì)論的理論中，重力會(huì)造成時(shí)間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛(ài)因斯坦位移。這個(gè)作用的理論推導(dǎo)從愛(ài)因斯坦方程式的施瓦氏解，以一顆光子在不帶電、不轉(zhuǎn)動(dòng)、球?qū)ΨQ(chēng)質(zhì)量的重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的紅移：

此處

·G是重力常數(shù)，

·M是創(chuàng)造出重力場(chǎng)的質(zhì)量，

·r是觀(guān)測(cè)者的徑向坐標(biāo)（這類(lèi)似于傳統(tǒng)中由中心至觀(guān)測(cè)者的距離，但實(shí)際是施瓦氏坐標(biāo)）

·c是光速。

重力紅移的結(jié)果可以從狹義相對(duì)論和等效原理導(dǎo)出，并不需要完整的廣義相對(duì)論。

在地球上這種效應(yīng)非常小，但是經(jīng)由莫士包耳效應(yīng)依然可以測(cè)量出來(lái)，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗(yàn)證。然而，在黑洞附近就很顯著，當(dāng)一個(gè)物體接近事件視界時(shí)，紅移將變成無(wú)限大，他也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度尺度溫度擾動(dòng)的主要角色。

測(cè)量方法紅移可以經(jīng)由單一光源的光譜進(jìn)行測(cè)量。如果在光譜中有一些特征，可以是吸收線(xiàn)、發(fā)射線(xiàn)、

或是其他在光密度上的變化，那么原則上紅移就可以測(cè)量。這需要一個(gè)有相似特征的光譜來(lái)做比較，例如，原子中的氫，當(dāng)它發(fā)出光線(xiàn)時(shí)，有明確的特征譜線(xiàn)，一系列的特色譜線(xiàn)都有一定間隔的。如果有這種特性的譜線(xiàn)型態(tài)但在不同的波長(zhǎng)上被比對(duì)出來(lái)，那么這個(gè)物體的紅移就能測(cè)量了。因此,測(cè)量一個(gè)物體的紅移,只需要頻率或是波長(zhǎng)的范圍。只觀(guān)察到一些孤立的特征,或是沒(méi)有特征的光譜,或是白噪音（一種相當(dāng)無(wú)序雜亂的波），是無(wú)法計(jì)算紅移的。

紅移（和藍(lán)移）可能會(huì)在天體被觀(guān)測(cè)的和輻射的波長(zhǎng)（或頻率）而帶有不同的變化特征，天文學(xué)習(xí)慣使用無(wú)因次的數(shù)量z來(lái)表示。

在z被測(cè)量后，紅移和藍(lán)移的差別只是間單的正負(fù)號(hào)的區(qū)別。依據(jù)下一章節(jié)的機(jī)制，無(wú)論被觀(guān)察到的是紅移或藍(lán)移，都有一些基本的說(shuō)明。例如，多普勒效應(yīng)的藍(lán)移（z0），就會(huì)聯(lián)想到物體遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)者而去并且能量減少。同樣的，愛(ài)因斯坦效應(yīng)的藍(lán)移可以聯(lián)想到光線(xiàn)進(jìn)入強(qiáng)引力場(chǎng)，而愛(ài)因斯坦效應(yīng)的紅移是離開(kāi)引力場(chǎng)。

觀(guān)測(cè)方法在天文觀(guān)測(cè)中可以測(cè)量到紅移，因?yàn)樵拥陌l(fā)射光譜和吸收光譜，與在地球上的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的分光儀校準(zhǔn)好的光譜比較時(shí)，是非常的明顯。當(dāng)從同一個(gè)天體上測(cè)量到各種不同的吸收和發(fā)射譜線(xiàn)時(shí)，z被發(fā)現(xiàn)是一個(gè)常數(shù)。雖然來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的譜線(xiàn)可能會(huì)被污染，并且有輕微的變寬，但并不能夠用熱力學(xué)或機(jī)械的行為來(lái)解釋。基于這些和其他的理由，公眾的輿論已經(jīng)將天文學(xué)上觀(guān)測(cè)到的紅移認(rèn)定是三種類(lèi)似的多普勒紅移之一，而沒(méi)有任何一種假說(shuō)能如此的振振有詞。

光譜學(xué)，用在測(cè)量上，比只要簡(jiǎn)單的通過(guò)特定的濾光器來(lái)測(cè)定天體亮度的光度學(xué)要困難。當(dāng)測(cè)光時(shí)，可以利用所有的數(shù)據(jù)（例如，哈柏深空視場(chǎng)和哈柏超深空視場(chǎng)），天文學(xué)家依靠的是紅移測(cè)光的技術(shù)，由于濾光器在某些波長(zhǎng)的范圍內(nèi)非常靈敏，依靠這樣的技術(shù)可以假定許多光譜的本質(zhì)隱藏在光源之內(nèi)，觀(guān)測(cè)誤差可以δz=0.5為級(jí)距來(lái)排序，并且比分光鏡的更為可靠許多。然而，光度學(xué)無(wú)法考慮到紅移的定性描述。例如，一個(gè)與太陽(yáng)相似的光譜，但紅移z=1，最為明亮的是在紅外線(xiàn)的區(qū)域，而非以黃-綠為尖峰的黑體光譜，并且光的強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)濾光器時(shí)將減少二級(jí)（1+z）。

在本地群的觀(guān)測(cè)使用SOHO衛(wèi)星的LASCOC1攝影機(jī)觀(guān)測(cè)到的太陽(yáng)日冕。這張圖片是以鐵XIV的5308埃譜線(xiàn)經(jīng)都普勒儀觀(guān)察日冕中的電漿接近與遠(yuǎn)離衛(wèi)星的速度，轉(zhuǎn)移成不同色碼的一幅假色圖。在附近的目標(biāo)（在我們的銀河系內(nèi)的天體）觀(guān)測(cè)到的紅移幾乎都與相對(duì)于視線(xiàn)方向上的速度有關(guān)。觀(guān)察這樣的紅移和藍(lán)移，讓天文學(xué)家可以測(cè)量速度和分光星的參考質(zhì)量。這種方法是英國(guó)天文學(xué)家威廉·哈金斯在1868年最先采用的。相同的，從光譜儀中對(duì)單獨(dú)的一顆恒星所測(cè)得的微量的紅移和藍(lán)移是天文學(xué)家檢測(cè)是否有行星系環(huán)繞著恒星的診斷和測(cè)量的方法之一。對(duì)紅移更精確的測(cè)量被應(yīng)用于日震學(xué)上，藉以精確的測(cè)量太陽(yáng)光球的運(yùn)動(dòng)。紅移也被應(yīng)用于第一次的行星自轉(zhuǎn)速率的測(cè)量、星際云的速度、星系的自轉(zhuǎn)，還有吸積的動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)在中子星和黑洞的多普勒和重力紅移。

另外，還有各種不同輻射和吸收的溫度造成的多普勒致寬-對(duì)單一的吸收或輻射譜線(xiàn)造成的紅移和藍(lán)移的效應(yīng)。測(cè)量來(lái)自不同方向的氫線(xiàn)21公分波的擴(kuò)展和轉(zhuǎn)移，天文學(xué)家能測(cè)量出星際氣體的退行速度，揭露出我們銀河系的自轉(zhuǎn)曲線(xiàn)。相同的測(cè)量也被應(yīng)用在其他的星系，例如仙女座星系。做為一種診斷的工具，紅移測(cè)量在天文學(xué)的分光學(xué)中是最重要的工具之一。

外星系的觀(guān)察宇宙中合于哈勃定律的天體距離越遠(yuǎn)就有越大的紅移，因此被觀(guān)測(cè)到有最大紅移，對(duì)應(yīng)于最遙遠(yuǎn)的距離也有最長(zhǎng)的回應(yīng)時(shí)間的天體是宇宙微波背景輻射，紅移的數(shù)值高達(dá)z=1089（z=0相當(dāng)于現(xiàn)在的時(shí)間），在宇宙年齡為137億年的狀態(tài)下，相當(dāng)于大爆炸之后379000年的時(shí)間。核心像點(diǎn)光源的類(lèi)星體是“紅移”（z>0.1）最高的天體，是在望遠(yuǎn)鏡改善之前，除了星系之外還能被發(fā)現(xiàn)的其他高紅移天體。被發(fā)現(xiàn)紅移最高的類(lèi)星體是z=6.4，被證實(shí)紅移最高的星系是z=7.0在尚未經(jīng)確認(rèn)的報(bào)告中顯示，透過(guò)重力透鏡觀(guān)測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系集團(tuán)有紅移高達(dá)z=10的星系。

對(duì)比本星系群遙遠(yuǎn)，但仍在室女座星系團(tuán)附近，距離為10億秒差距左右的星系，紅移與星系的距離是近似成比例的，這種關(guān)系最早是由哈柏發(fā)現(xiàn)的，也就是眾所皆知的哈勃定律。星系紅移最早是VestoSlipher大約在1912年發(fā)現(xiàn)的，而哈柏結(jié)合了Slipher的測(cè)量成為度量天體距離的另一種方法-哈柏定律。在建基于廣義相對(duì)論下被廣泛接受的宇宙模型中，紅移是空間擴(kuò)展的主要結(jié)果：這意味著遙遠(yuǎn)的星系都離我們而去，光離開(kāi)星系越久，空間的擴(kuò)展也越多，所以光也就被延伸越多，紅移的值也就越大，所以越遠(yuǎn)的看起來(lái)就移動(dòng)的越快。哈柏定律一樣適用哥白尼原則，由于我們通常不知道天體有多明亮，測(cè)量紅移會(huì)比直接測(cè)量距離容易，所以使用哈柏定律就可以得知天體大略的距離。

星系之間的和星系團(tuán)的重力交互作用在正常的哈柏圖上導(dǎo)致值得注意的消散，星系的本動(dòng)速度和在宇宙中的維理天體的迷蹤質(zhì)量相疊加，這種作用導(dǎo)致在附近的星系（像仙女座星系）顯示出藍(lán)移的現(xiàn)象，并且向共同的重心接近，同時(shí)星系團(tuán)的紅移圖像上帝的手指在作用使本動(dòng)速度的消散大致成球型的分布。這個(gè)增加的組合給了宇宙學(xué)家一個(gè)單獨(dú)測(cè)量質(zhì)量的質(zhì)光比（以太陽(yáng)的質(zhì)量和光為單位的星系的質(zhì)量與光度比值），是尋找暗物質(zhì)的重要工具。

對(duì)更遙遠(yuǎn)的星系，目前的距離和紅移之間的關(guān)連性變得更為復(fù)雜。當(dāng)你看見(jiàn)一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系，也就是看見(jiàn)相當(dāng)久遠(yuǎn)之前的星系，而那時(shí)的宇宙和現(xiàn)在是不同的。在那些早期的時(shí)刻，我們期待在俇展的速率上有所不同，原因至少有二個(gè)：

星系之間相互的重力吸引會(huì)減緩宇宙的擴(kuò)張行動(dòng)

可能存在的宇宙常數(shù)或第五元素與可能會(huì)改變宇宙擴(kuò)張的速率。

最近的觀(guān)測(cè)卻建議宇宙的擴(kuò)張不僅沒(méi)有如同第一點(diǎn)的預(yù)測(cè)減速，反而在加速中。這是廣泛的，雖然不是相當(dāng)普遍的，相信這是因?yàn)橛邪滴镔|(zhì)在控制著宇宙的發(fā)展。這樣的宇宙常數(shù)暗示宇宙的最后命運(yùn)不是大擠壓，反而可預(yù)見(jiàn)宇宙將長(zhǎng)久存在。（可是在宇宙內(nèi)多數(shù)的物理程序仍然朝向熱死亡。）

擴(kuò)張的宇宙是大霹靂理論的中心預(yù)言，如果往前追溯，理論預(yù)測(cè)"奇點(diǎn)"的存在，而那時(shí)的宇宙有無(wú)限大的密度；廣義相對(duì)論的理論，大霹靂的理論依據(jù)，將不再能適用。最有可能取代的理論據(jù)信是尚未成熟的量子重力學(xué)，能在密度變得無(wú)窮大之前繼續(xù)適用。

紅移巡天在先進(jìn)的自動(dòng)化望遠(yuǎn)鏡和改良的光譜儀合作之下，以一定數(shù)量星空的紅移當(dāng)成宇宙的投影，通過(guò)紅移與角度位置數(shù)據(jù)的結(jié)合，紅移巡天圖可以顯示天空中一定范圍內(nèi)物質(zhì)的立體分布狀態(tài)。這些觀(guān)測(cè)被用來(lái)研究宇宙的宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)城、許多廣達(dá)5億光年的超星系團(tuán)，紅移巡天的檢測(cè)提供了戲劇性的大尺度構(gòu)造的例子。

第一次紅移巡天是CfA紅移巡天，開(kāi)始于1977年，至1982年完成最初的資料蒐集。最近的有2度視場(chǎng)星系紅移巡天，測(cè)量宇宙在一個(gè)部份的大尺度結(jié)構(gòu)，量測(cè)了22萬(wàn)個(gè)星系的z值，最后的結(jié)果已經(jīng)在2003年6月釋出。（除了描繪星系在大尺度的模型，2度視場(chǎng)也可以估計(jì)微中子質(zhì)量的上限。）其他值得重視的研究還有史隆數(shù)位巡天（SDSS），在2005年仍在繼續(xù)進(jìn)行中，目標(biāo)瞄準(zhǔn)在觀(guān)測(cè)一億個(gè)天體。SDSS已經(jīng)觀(guān)測(cè)到紅移高達(dá)0.4的星系和紅移超過(guò)z=6的類(lèi)星體。深度2紅移巡天使用凱克望遠(yuǎn)鏡和新的“DEIMOS”光譜儀，是深度1計(jì)劃的延續(xù)。深度2是設(shè)計(jì)來(lái)研究紅移0.7或更高的黯淡星系，因此可以填補(bǔ)SDSS和2df計(jì)劃的不足。

沃爾夫效應(yīng)在輻射轉(zhuǎn)換和物理光學(xué)的主題中會(huì)總結(jié)電磁輻射中波長(zhǎng)和頻率轉(zhuǎn)換可能發(fā)生的現(xiàn)象和交互作

用導(dǎo)致位移的結(jié)果。在這些情況下位移和物理上對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)移到物質(zhì)或其他的光子，而不是歸結(jié)于參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變之間。這些轉(zhuǎn)移可以歸結(jié)于凝聚作用（參見(jiàn)沃爾夫效應(yīng)）或是來(lái)自于基本粒子、微粒物質(zhì)、或來(lái)自波動(dòng)的電介質(zhì)媒介被充電，導(dǎo)致電磁輻射的散射。當(dāng)這些現(xiàn)象對(duì)應(yīng)于“紅移”或“藍(lán)移”的現(xiàn)象時(shí)，是物理的電磁輻射場(chǎng)本身的交互作用或是介入（干預(yù)）的物質(zhì)來(lái)自參考坐標(biāo)系效應(yīng)的現(xiàn)象。在天文物理，質(zhì)-光交互作用的結(jié)果在輻射場(chǎng)的能量的遷移上通常是紅化而不是紅移，而這個(gè)項(xiàng)目通常是保留在前面的效應(yīng)中討論的。

在許多情況下散射會(huì)導(dǎo)致輻射的紅化，因?yàn)殪貢?huì)使光子趨向最低能量而減少高能的光子(總能量守恒)。除了在小心控制的情況下，散射不會(huì)在同一個(gè)變化中橫跨整個(gè)光譜，換言之，任何一個(gè)波長(zhǎng)上計(jì)算得到的z只是一個(gè)對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的函數(shù)，而且，來(lái)自介質(zhì)的隨機(jī)散射通?？赡馨l(fā)生在任何的角度上，而z又是一個(gè)散射角的函數(shù)。如果多次的散射發(fā)生，或是散射的粒子在相對(duì)的運(yùn)動(dòng)中，那么通常都會(huì)造成譜線(xiàn)的畸變。

在恒星際天文學(xué)，可見(jiàn)光譜會(huì)因?yàn)榇┻^(guò)星際物質(zhì)的散射過(guò)程出現(xiàn)星際紅化—類(lèi)似于在日出或日落時(shí)大氣層造成太陽(yáng)光偏紅和天空是藍(lán)色的瑞利散射。這種明顯的轉(zhuǎn)移成紅色的現(xiàn)象，是因?yàn)樽V線(xiàn)中的紅色部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移成其他的波長(zhǎng)，以及額外的黯淡和畸變結(jié)合，這些現(xiàn)象使光子在視線(xiàn)中出現(xiàn)或消失。