你是否曾經設想過，研究者們和科學家們是如何做到在隱蔽的研究室裡靠著僅有的一個望遠鏡、一臺電腦和一些特殊的統計資料以此試圖描繪出大量的宇宙地圖？我們是否再也不需要親自前往遙遠的外太空？哥倫布、馬可波羅、達伽馬和其他偉大旅行者的時代是否會迎來結束呢？

令人難過地，答案為“是”。

為了做到足不出戶知曉宇宙，我們先來使用已知宇宙的縮小比例版地圖。如果太陽與地球之前的距離算1英寸，那麼最近的恆星（比鄰星）將會是大約4.3英里遠。在實際距離中，太陽大約離地球有149.6百萬千米，所以比鄰星會更誇張地遠。這個數字是無法想象的，大約會有40.14萬億千米。我們再也無法像旅行地球那樣用飛船或飛機來探索如此浩瀚的空間。

在現代，人類技術還無法先進到在太空中實現如此驚人的旅行。不過，我們有自己更聰明的辦法對宇宙進行探索和發現。

你見過飛速穿過眼前的警車嗎？當車接近你時，警笛聲會很大聲（激起罪犯的恐懼）。當車越行越遠時，強烈的警笛聲也會慢慢消逝。這種現象被稱為多普勒效應。

圖解：源點的運動引起波長變化

這個效應將如何幫助我們旅行太空呢？如上面提到的，人類很聰明。我們注意到多普勒效應不僅可以通過聲波來感應，其他各種聲波也可以用上。光是一種電磁波，我們可以利用這一優點。

光的多普勒效應

當我們將光處理為一種波的時候，不像其他的聲波，我們能明顯發現的是可見的變化，而不是可聽的。不過本質還是一樣的。

當波源（光）遠離靜態的觀察者（我們自己）時，光波的頻率到達我們眼睛的次數會減少（波長增長）。相反的，如果光源靠近我們，頻率會增加（波長變短）。

圖解：天鵝周圍水流的多普勒效應

什麼是紅移和藍移？

你是否親眼見過彩虹？

如果有的話，你肯定會注意到彩虹是由多彩的綵帶組成。這是我們常講的可見光譜，是一個在正常條件下正常眼睛可以察覺到的光譜。

多普勒效應也可以用可光譜來觀察。當一個可見的光源遠離觀察者時，射過來的光線趨向於進入一個光譜紅區（高波長區）。這就是紅移。

同樣的，如果光源向觀察者接近，射過來的光線會趨向於向可視光譜的藍區靠近（較低的波長）。這就是藍移。

圖解：藍移和紅移（在吸收光譜中，波長在紅移和藍移中被拉長，遠離原來的波長）。

藍紅移是如何幫助我們描繪宇宙地圖的？

現在你稍微了解了紅移和藍移，準備好迎接一場那些簡單元素帶給你的驚喜吧。

天文學家可以利用紅移來確定我們銀河系的動向。通過測量來自附近星系的入射光的多普勒頻移，並比較結果，尤其是時間間隔，來確定頻移，以此實現銀河系動向的確定。

科學家得到的資料揭示了星系、星雲及其他發光物體的動向、大小和方位。

從最鄰近的星系——仙女座，到最遠的“高度紅移”星系，多普勒效應為無數的精確觀測鋪平了道路。這也給了我們一窺宇宙原始形態的機會，時間大概在13.7億年前，是大爆炸時期的宇宙歷史開端。

宇宙並不僅是在那時候才開始擴張的，而且擴張是一種加速度。實現這些結果不僅僅需要多普勒效應。事實上，這是由宇宙自身膨脹導致的。由於宇宙一直在擴張，大規模觀察藍移的情況會很少見。

在宇宙中至少有三種紅移可以被我們觀察

你一定會想：為什麼藍移沒有那麼重要？原因是宇宙一直在擴張。所以，光的波長到達觀察者時會變長、變成紅移。也就是說，藍移確實會在某些特定情況下發生。

I型紅移是星系與鄰近星系的相對運動造成的。例如，我們的銀河系是和鄰近星系——仙女座產生碰撞而發生紅移，在我們的角度看來仙女座的波長減少了。當星系離得更近時，就會變成我們所說的藍移。同樣的，星系離得遠時，就會變成紅移。

II型紅移是紅移中最普遍的形態，並因為兩個靜止星體中空間的擴張而可以被我們觀測。兩個星體雖然沒有在運動，但其射光的波長也會增加。

所有紅移種類裡最不明顯的是III型紅移，也就是引力紅移。因為來自大型星體的引力紅移導致了光線的彎曲，輕微地使射光的軌道，引起射光波長的變化。引力對光的影響也幫助了我們證實愛因斯坦的廣義相對論。

引力紅移的一個經典例子已經在地球上被觀察到了。設想你用一把火炬照亮一個燈塔，通過觀察光線的接收和消逝來測量它的波長。你會發現波長增加了，因為地球的引力會隨著你離地表的距離的接近而變強。這會導致時間流逝較慢，或是說時間被伸展，因而影響光的頻率和波長。

探索系外行星

天文學家利用紅移藍移來探測系外行星，這種方法被稱為徑向速度法。

這項技術利用了這樣一個事實，即如果一顆恆星周圍有一顆或多顆行星，那麼嚴格來說，這顆行星並不是圍繞著這顆恆星執行的。相反，行星和恆星圍繞它們共同的品質中心執行，因為恆星比它的行星要大得多。品質的中心在恆星內部，所以當行星圍繞恆星執行時，恆星似乎會發生輕微的擺動。天文學家可以利用光譜學來測量這種擺動。

設想一下一顆恆星向我們靠近，它發出的光會呈現藍移；如果它遠離我們，射光將呈現紅移。這種變化並不是肉眼可見的光線顏色變化。相反的，光譜學可以用來探測恆星在繞著恆星-行星系統的品質中心相對運動時的顏色變化。

更普遍地講，天文學家用紅藍移來研究運動的物體，例如雙星相互環繞、星系的旋轉、叢集星系的運動，甚至是銀河系中各個星星的運動。因此，通過描繪這些星體的運動，天文學家已經成功地跨越了“已知宇宙”的一個更高的範圍。

總結

令人震驚的是旅行過最遠方的人已去過月球的黑暗面，這尤其是人類發達的智慧與經濟的最好表現。儘管科技還沒有非常先進，但人類對未知仍有巨大的探索渴望。我們已經找到方法來探索已知的來自13.4百萬光年外系外行星的最遠伽瑪射線，習知我們能探索到的最遠星系是GN-z11。我們沒有踏出太空半步卻取得了這些偉大成就。

研究人員不斷地集思廣益，以創造和探索太空探索的新方法，並將我們的宇宙繪製成最精確的測量圖。所有這些都是可能的，因為我們對光的本質的理解。我們對宇宙的認識主要是基於理論和統計資料。因此，多普勒效應為紅移理論奠定了基礎，這是宇宙學研究領域的一個重大突破。

今天，我們要感謝光譜學為我們了解宇宙所做的一切。如果多普勒效應的現象對人類來說仍然是未知的，那麼天文學家不可能觀測到遙遠的星系或宇宙事件，更不用說進行精確的測量了！

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. scienceabc-Dev Lunawat- 鄭佩瑜