天文学家研究来自遥远物体的光以了解它们。光以每秒29.9万公里的速度在太空中传播，它的路径可以被重力偏转，也可以被宇宙中的物质云吸收和散射。天文学家利用光的许多特性来研究一切事物，从行星及其卫星到宇宙中最遥远的物体。

研究多普勒效应

他们使用的一个工具是多普勒效应。这是物体在空间中移动时发出的辐射频率或波长的变化。它是以1842年第一次提出它的奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒命名的。

多普勒效应是如何工作的？如果辐射源，例如恒星，正在向地球上的天文学家移动（例如），那么它的辐射波长将变得更短（频率更高，因此能量更高）。另一方面，如果对象正在远离观察者，则波长将更长（频率更低，能量更低）。当你听到火车汽笛或警笛声从你身边经过时，你可能已经体验过这种效果，当它经过你身边并离开时，你会改变音调。

多普勒效应是警用雷达等技术的基础，在警用雷达中，“雷达枪”发射已知波长的光。然后，雷达“光”从行驶中的汽车上反射回来，并传回仪器。由此产生的波长偏移用于计算车辆速度。（注意：这实际上是一个双移动，因为移动的汽车首先充当观察者并经历一个移动，然后作为移动光源将光发送回办公室，从而第二次移动波长。）

红移

当物体远离观察者时，发射的辐射峰值的间隔将比源物体静止时的间隔要远。结果是产生的光波长看起来更长。天文学家说它在光谱的“红移”端。

同样的效果也适用于电磁频谱的所有波段，如无线电、x射线或伽马射线。然而，光学测量是最常见的，也是术语“红移”的来源。光源离开观察者的速度越快，红移越大。从能量的角度来看，较长的波长对应较低的能量辐射。

蓝移

相反，当辐射源接近观察者时，光波长看起来更近，有效地缩短了光波长。（同样，波长越短意味着频率越高，因此能量越高。）从光谱角度看，发射线会向光谱的蓝色一侧移动，因此被称为蓝移。

与红移一样，这种效应也适用于电磁光谱的其他波段，但在处理光学光时，这种效应经常被讨论，尽管在天文学的某些领域，情况肯定不是这样。

宇宙膨胀与多普勒频移

多普勒频移的使用导致了天文学中的一些重要发现。在20世纪初，人们相信宇宙是静止的。事实上，这导致阿尔伯特·爱因斯坦将宇宙学常数添加到他著名的场方程中，以“抵消”他的计算所预测的膨胀（或收缩）。具体地说，人们曾经认为银河系的“边缘”代表了静止宇宙的边界。

然后，埃德温·哈勃发现，困扰天文学数十年的所谓“螺旋星云”根本不是星云。它们实际上是其他星系。这是一个惊人的发现，它告诉天文学家宇宙比他们所知道的要大得多。

哈勃接着测量了多普勒频移，特别是发现了这些星系的红移。他发现星系离得越远，它后退得越快。这导致了现在著名的哈勃定律，即物体的距离与其衰退速度成正比。

这一发现让爱因斯坦写道，他把宇宙学常数加到场方程中是他职业生涯中最大的错误。然而，有趣的是，一些研究人员现在正把这个常数放回广义相对论。

事实证明，哈勃定律在一定程度上是正确的，因为过去几十年的研究发现，遥远的星系后退的速度比预测的要快。这意味着宇宙的膨胀正在加速。其原因是一个谜，科学家们称其为暗能量加速的驱动力。他们在爱因斯坦场方程中将其解释为宇宙常数（尽管它的形式与爱因斯坦的公式不同）。

天文学的其他用途

除了测量宇宙的膨胀，多普勒效应还可以用来模拟离家更近的物体的运动；即银河系的动力学。

通过测量到恒星的距离以及它们的红移或蓝移，天文学家能够绘制出我们星系的运动图，并从宇宙中观察到我们星系的样子。

多普勒效应还允许科学家测量变星的脉动，以及在超大质量黑洞发出的相对论喷流中以难以置信的速度运动的粒子的运动。

由卡罗琳·柯林斯·彼得森编辑和更新。