红色星系为什么会有几种可能的距离

照片把许多波长加在了一起

给同一座星系轮流戴上五片有色玻璃，每片只放过一段波长。相机数出通过的光子，却没有给每个光子留下波长标签。这种选取波长的玻璃叫滤光片。拍完五次，只得到五个亮度数字，原本丰富的星光被压缩了。

把光按波长展开，得到的分布叫光谱。两条细节不同的光谱，经过几片宽滤镜后，可能变成非常接近的五个数字。漂亮的彩色照片因此可以留下模糊的距离；能够认出细窄谱线的光谱通常更有把握，但逐个拍摄暗弱星系的光谱需要很多观测时间。

光在膨胀宇宙里传播，波长会变长。红移描述的就是拉长多少。原本在四千埃附近发出的特征，红移为二分之一时，会出现在六千埃附近。埃是很小的长度单位，一埃等于一百亿分之一米，可见光波长通常有几千埃。

许多星系的光谱在四千埃附近有一处宽阔的亮度变化。恒星大气里密集的吸收线压低了蓝侧的光。当这处变化经过相邻两片滤镜，一片滤镜收到的光便逐渐换到了特征的另一侧，两个波段的亮度比随之改变。认出这种变化的位置，比笼统地说“星系很红”更能帮助测距。

\lambda_{\mathrm{observed}}=(1+z)\lambda_{\mathrm{emitted}}

红移用 z 表示，两种波长采用同一单位。红移为二分之一，所有波长都拉长到原来的一点五倍。

质量大的炽热恒星发出很强的蓝光，燃料也烧得快。一群恒星同时形成后，这些恒星先离开，寿命长的恒星逐渐主导星光，整群看起来便更红。恒星组合改变时，吸收特征也会变化；四千埃附近的断裂强弱，还受化学成分影响。

尘埃走的是另一条路。细小颗粒会吸收和散射光，通常对短波光影响更强。年轻星系若藏在足够多的尘埃后面，宽带颜色就可能像一座较老、较清澈的星系。尘埃平滑地改变这一段光谱的倾斜程度，红移则把特征沿波长方向推走。滤镜很宽时，两者的区别容易被抹平。

真实星系的年龄也没有一个简单生日。新恒星可以在老恒星之间不断形成。“所有恒星一次诞生”的模型便于研究光谱随时间怎样演化，拟合年龄指的是这种模型的年龄。它没有把星系里每颗恒星的出生时刻都量出来。

天文学家会试许多组红移、恒星组合和尘埃含量，逐组预测五片滤镜应有多亮。预测越接近测量，权重就越高；误差棒决定多大的差别仍算接近。把不同恒星与尘埃解释的权重加起来，就得到红移的概率分布。

这条分布有时会鼓起两座分开的山。一座可能对应较近的老恒星族，另一座把不同形状的光谱放到了更远处。只报最高峰，会藏起另一种解释。定标稍微改变，两座峰还可能交换高低，红移读数便突然跳了一大截。

下一片滤镜应该放在哪里？就放在两种解释预测不同的波长。若能拍光谱，认出单条谱线，又能更直接地确定距离。彩色照片变成立体地图，靠的是不断寻找能把剩余解释分开的新观测。