譜線頻移的鑒別方法
總述
在前面我們已經(jīng)探討了宇宙中遙遠(yuǎn)星系所發(fā)出的光在我們觀測上可能會存在三種頻移,這三種頻移單獨(dú)觀察一個譜線是無論如何也不能進(jìn)行區(qū)分的。那么是不是就沒有辦法了呢?當(dāng)然不,以下方法可以將譜線的三種頻移分辯開來。
傳遞波的介質(zhì)或者距離效應(yīng)所導(dǎo)致的紅移
(暫時針對機(jī)械波)
波的傳遞介質(zhì)或者距離效應(yīng)所導(dǎo)致的頻移其原因是由于傳遞波的介質(zhì)在對光的能量傳遞過程中所形成的能量損耗所造成,因此在關(guān)系式上,可以表達(dá)成光衰減的頻率同光傳遞的距離成正比??梢员硎緸椋?/span>
其中表示我們觀測到的頻率,為標(biāo)準(zhǔn)譜線的頻率,△為光線通過確定空間長度后所衰減的頻率,它和距離長度成正比。如果我們將上圖中的譜線橫線當(dāng)作譜線坐標(biāo)的話,那么我們會看到譜線均勻的橫向移動,每一條實(shí)際觀測的譜線都會在標(biāo)準(zhǔn)譜線系圖上橫移△。如圖:
圖中顏色較淡的豎線,表示我們實(shí)際觀測到的發(fā)生頻移的譜線系。較深的豎線表示標(biāo)準(zhǔn)的譜線系。當(dāng)然,在對遙遠(yuǎn)星系的觀測過程中,我們得到一個譜線系是不容易的,因?yàn)楣饩€強(qiáng)度是非常小的。其實(shí),只要在實(shí)際的觀測中觀測到到任意兩條譜線,那么就可以采用這種比較的方法來得到結(jié)果。
宇宙天體和地球相對運(yùn)動速度導(dǎo)致多普勒紅移
多普勒頻移僅和觀測者和光源的相對速度有關(guān),那么多普勒的表達(dá)形式為:
由于觀測者和光源之間的相對速度在不同的譜線中是相同的,因此可以簡單的表達(dá)成=k,其中k等于。
我們可以看到,多普勒頻移和距離效應(yīng)存在著本質(zhì)的區(qū)別,這種區(qū)別就是在譜線系的標(biāo)準(zhǔn)圖上和我們觀測到的譜線系,其譜線的位置的變換為=k。如圖:
(關(guān)于這個圖并不是標(biāo)準(zhǔn)的,在譜線位置的關(guān)系上也是不對的,這里僅僅為了說明觀測到的多普勒紅移在標(biāo)準(zhǔn)的譜線系上的比較存在區(qū)別,只要注意采用觀測譜線和標(biāo)準(zhǔn)譜線之間的關(guān)系很容易鑒定,那么這個圖則是次要的了。) 空間中的物質(zhì)導(dǎo)致的紅移
空間中的物質(zhì)所導(dǎo)致的紅移除了星際分子原子物質(zhì)和光發(fā)生的康普頓散射之外,其它的就是帶電粒子和光發(fā)生的作用了。但由于前面的多普勒頻移是簡單的譜線移動,那么這就提供了一種簡單的鑒別兩種紅移的方法。
如果將宇宙中的媒質(zhì)采用統(tǒng)計(jì)的方法,可以將媒質(zhì)當(dāng)作異種均勻的各向同性的分子原子物質(zhì)處理。但是對帶電粒子處理則不能采用這樣的方法,因?yàn)閹щ娏W拥倪\(yùn)動速度在空間中的分布應(yīng)該符合一種統(tǒng)計(jì)的分布。光子和這些帶電粒子的作用所引起的譜線頻移則要采用統(tǒng)計(jì)分布的原則了。
頻率高的光和介質(zhì)發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要多一些,頻移相對的要大一些。相反,頻率低的光和介質(zhì)發(fā)生的康普頓散射所損失掉的能量要小一些,頻移相對的也要小一些。那么這就存在這樣一種趨勢,就是光經(jīng)過大量的多普勒散射之后,頻率分布會趨向均勻,換句話說,將會趨向于連續(xù)譜線。帶電粒子和光線的作用也是相似的。譜線系的結(jié)構(gòu)在我們觀測上將會模糊或者消失。當(dāng)然,這依賴于光線通過的距離。如果是光線通過的距離是無限的,那么我們所觀測到的則必然是某種連續(xù)譜線。這一點(diǎn)很容易和上兩種譜線頻移的原因區(qū)分開。