深度解读：宇宙红移，天文学家如何测量遥远宇宙！建议收藏

这张照片是韦伯望远镜拍摄的一张深空场，大家注意照片中这个微弱暗红的斑点，它距离我们大约130亿光年。

也就是以光的速度飞行130亿年的距离。

但，就这么一个微弱的光点，天文学家是怎么看出，它距离我们130亿光年的。

大家好啊，我是腾宝，这期就给大家详细的解答下这个问题。

文章我们从科学家探索光开始，然后就是一步步解开光的秘密，到最后，天文学家又是怎么利用解开的谜题，从而得到遥远天体的信息。

所以，这也是研究光的一段发现史，希望大家收藏哈。

--前言

对于天体距离的测量，我们有很多种方法，像视差法、标准烛光法。

但对于遥远的距离，像那种几十上百亿光年的距离，却只有一种准确的测量方法，那就是红移测量。

而要说到红移测量，这就不得不提到夫朗禾费线了。

这是人们探索光的一个伟大发现。

故事呢，还要从17世纪开始。

--光中暗线

在 17 世纪时，牛顿首次发现，当太阳光经过三棱镜后，它会分散成如彩虹那般不同颜色的光。

也就是光的色散现象，牛顿把这种色散后得到的光称为光谱。

光的色散

虽然这个现象看着很简单，但它却是我们解开光中秘密的开始。

在牛顿得到光谱的一百年后，1802 年英国的物理学家沃拉斯顿对牛顿的实验进行了改进，使色散后的光谱的精度提高，提高后，他在太阳的光谱中首次发现，光谱中存在许多暗色的条纹。

沃拉斯顿

光谱中的暗线

但当时他对这些条纹没有太在意。

只是认为这可能是仪器造成或者颜色的分界线什么的。

所以他对此也没进行深入的研究。

直到1814年，夫朗禾费的出现才让人们重视这些暗线的存在。

夫朗禾费

1814年，夫朗禾费这个时候二十多岁，很年轻，但他制造光学仪器的技术却相当了得，这个时候他设计出了现代首款光谱仪。

夫朗禾费展示光谱仪

1814年，他通过自己的光谱仪也在太阳光谱中发现了那些暗色的条纹。

但和沃拉斯顿不同，夫朗禾费对这些暗色条纹很感兴趣，起初他也认为可能是仪器的原因，但随着他对仪器的不断改良，这些暗线却并没有在光谱中消失，反而是光谱中的暗线越来越多。

太阳光谱中的暗线

所以夫朗禾费认为，这些暗线可能是光源本身的问题。

之后他对这些暗线出现的位置以及粗细、波长都进行了仔细的测量，并且他又测量了其它几颗明亮恒星的光谱，在那些恒星的光谱中，他也发现了暗线的存在，但这些暗线和太阳光谱中的暗线排列却不一样。

所以在几轮研究后，夫朗禾费得到信息：这些暗线应该就是太阳和恒星本身所致，与地球和仪器无关.

虽然不知道它们是什么，但夫朗禾费的研究，把这些暗线的产生原因指向了光源的本身。

也就是因为他的这些探索，在45年后，人们才得以解开暗线的秘密。

--暗线之谜

1859 年的时候，这时有两位科学家，德国的物理学家基尔霍夫和化学家本生。

他们两个在这个时候喜欢玩火，就是烧各种不同的元素。

在烧元素时他们发现，燃烧不同的元素，光谱仪会留下不同的亮线。

元素焰色

这些明亮的线条和之前夫朗禾费发现的暗线很相似。

所以，他们这个时候有了一个大胆的想法，这些暗线会不会与元素有关呢。

之后，他们两个用本生灯发出的石灰光做了一个实验，

石灰光是一种连续的光谱，也就是没有暗色条纹的光。

连续光谱

当他们让这种光经过不同元素的冷气体时发现，原本连续的光谱出现了暗色的条纹。

这和夫朗禾费测量的暗色条纹一致，并且暗色条纹出现的位置，和之前燃烧元素，出现的亮条纹，可以一一对应。

所以他们两个得出结论，燃烧这些元素可以发出不同的光，从而产生亮线，而当光经过这些含有元素的冷气体时，元素又会把这部分光吸收掉，留下暗线。

这便是暗线产生的原因，它们是元素的吸收线。

有了这个发现，从此我们探索宇宙，便有了一个了不起的武器--光谱探测。

利用光谱中的暗线，我们可以在无法离开地球的情况下，了解遥远太阳的元素组成，遥远星系的元素组成，以及任何只要能得到吸收线或发射线的天体，我们都可以知道它们的组成，这便是研究这些暗线带给我们的信息。

而后人为了纪念夫朗禾费率先对暗线做出的研究，便把这些暗线称为了夫朗禾费线。

那么我们这次要说的红移测量，便是夫朗禾费线在光谱中的一个位移。

--红移

通过前面夫朗禾费线的介绍我们可以知道，暗线是由不同元素吸收而留，而不同的元素只会吸收特定波长的光，所以元素吸收线的位置是固定不变的。

但1912年的时候，一个名叫梅尔文-斯莱弗的天文学家在测量一些螺旋星云时。

在这里我们提一下哈，这些星云其实是就是我们所说的星系，因为在这个时候，人们对宇宙的认识还停留在银河系就是宇宙全部的思维中，所以当观测到一些圆盘弥散状的斑点时，认为它们是银河系内的星云，但实际上，它们是遥远的星系。

那么斯莱弗在测量这些星云时发现，这些星云中的暗线并没有在固定的位置，它们似乎往光谱中的红波段移动了。

光谱红移

这是什么原因呢，斯莱弗认为，这可能是它们的速度导致，就像多普勒效应那样，他们在远离我们，远离时将光波拉长，从而让暗线往红端发生了位移。

这便是红移。

这次的发现，发现了星系的红移，且将红移与速度联系了起来，这为之后哈勃的研究奠定了基础。

红移示意

1924年的时候，哈勃在测量仙女座星云时，在其中发现了几个被称为造父变星的恒星，这是一种可作为标准烛光的恒星。

利用它，哈勃测量了仙女座星云的距离，发现这个星云距离我们远大于之前认为银河系的尺寸，所以哈勃断定，这个星云不在银河系之内，它是独立于银河系之外的另一个星系。

至此，人们对宇宙的认识才从银河系的大小走了出来，银河系之外还有星系。

所以从这之后，哈勃又相继测量了其它星系的距离。

于是，1929年的时候，发现了惊天的秘密。

哈勃

之前斯莱弗已经确定红移和速度有关，所以根据红移，我们可以计算星系的退行速度。

那么当哈勃用星系的距离与速度对比后发现，星系退行的速度与距离存在一个线性的关系，也就是距离地球越远的星系，它们退行的速度也就越大。

速度与距离成正比关系。

这就是著名的哈勃定律，

它的发现证实了宇宙是一个正在膨胀的宇宙，而不是静态不变的宇宙，这为宇宙大爆炸理论提供了证据，让世人惊叹。

同时，这个发现也让红移和距离确定了关系。

也就是，红移值越大星系距离我们就越远。

所以通过这个关系，只要我们测出谱线中红移的大小，便可计算出它的实际距离。

这便是天文学家测量遥远天体的方法的由来--红移测量。

我是腾宝，一个热爱天文的科普创作者，还希望大家多多关注与支持

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