宇宙学红移与距离

随着宇宙膨胀，来自遥远光源的光被拉伸到更长的波长，即宇宙学红移，而距离的概念也分裂成几个不同的、依赖于膨胀的度量。

Definition

宇宙学红移是光波长增加的现象，其增加的倍数与光传播过程中尺度因子增长的倍数相同；宇宙学距离是依赖于观测者和测量方法（同移距离、光度距离、角直径距离）的量，只有在近距离、低红移的极限情况下才能简化为单一的欧几里得距离。

Scope

本主题涵盖了宇宙学红移，将其视为尺度因子增长导致的波长拉伸，并区分其与多普勒红移和引力红移的不同。同时，还涵盖了在膨胀时空中产生的距离度量家族，包括同移距离、固有距离、光度距离和角直径距离，以及它们各自与红移和膨胀历史的关系。

Core questions

• 为什么宇宙学红移不仅仅是多普勒频移？
• 红移与宇宙的膨胀历史有何关系？
• 为什么宇宙学中有几种不同的距离定义？

Key concepts

• 宇宙学红移
• 发射时的尺度因子
• 同移距离
• 光度距离
• 角直径距离
• 标准烛光和标准尺

Key theories

尺度因子增长引起的红移

观测到的光波长与自发射以来尺度因子增长的程度成正比，因此红移直接测量的是宇宙在发射和观测之间相对膨胀的程度，而非局部速度。

多重距离度量

在膨胀的宇宙中，光度距离（根据观测亮度）和角直径距离（根据观测大小）彼此不同，也不同于同移距离，它们都通过红移和膨胀历史相互关联，因此推断出的距离取决于测量的内容。

Clinical relevance

这些关系将观测转化为宇宙学：测量标准烛光超新星的亮度及其红移揭示了加速膨胀，而宇宙微波背景和星系团特征的角直径距离则限制了宇宙的几何形状和内容。

History

斯莱弗在20世纪10年代测量了第一批星系红移，哈勃在1929年将红移与距离估计相结合，揭示了线性的红移-距离关系；将这些红移理解为宇宙膨胀而非普通运动，是基于弗里德曼-勒梅特对广义相对论的解释。

Key figures

• Edwin Hubble
• Georges Lemaitre
• Vesto Slipher

Seminal works

• weinberg2008
• hogg1999

Frequently asked questions

星系红移是因为它们正在远离我们吗？

在宇宙学尺度上，红移是由于空间膨胀拉伸了传输中的光线，而不是由于在空间中运动；在近距离时，它可以近似为退行速度，但在高红移时，膨胀解释至关重要，退行“速度”甚至可以超过光速而不会违反相对论。

为什么在某些情况下，更远的物体看起来更大？

因为在膨胀的宇宙中，角直径距离达到最大值后在高红移处减小，所以非常遥远的物体可以比稍微近一些的物体张角更大，这是一种反直觉效应，在日常欧几里得几何中不存在。