ในทางฟิสิกส์การเลื่อนไปทางแดง (redshift)คือการเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นหรือเทียบเท่ากับการลดลงของความถี่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่นแสง ) การเปลี่ยนแปลงตรงกันข้าม คือการลดลงของความยาวคลื่นและการเพิ่มขึ้นของความถี่และพลังงาน เรียกว่าการเลื่อนไปทางน้ำเงิน (blueshift )

ในทางดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยา การเลื่อนไปทางแดง (redshift) เกิดขึ้นได้สามรูปแบบ ได้แก่ การเลื่อนไปทางแดง แบบดอปเปล อร์ ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของแหล่งกำเนิดรังสี การเลื่อนไปทางแดง เนื่องจาก แรงโน้ม ถ่วง ซึ่งเกิดจากการที่รังสีหลุดออกจาก ศักย์โน้มถ่วงและการเลื่อนไปทางแดงเชิงจักรวาลวิทยา ซึ่งเกิดจากการขยาย ตัวของ เอกภพ ค่าของการเลื่อนไปทางแดงมักใช้ตัวอักษรzแทน ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นเป็นเศษส่วน (เป็นบวกสำหรับการเลื่อนไปทางแดง เป็นลบสำหรับการเลื่อนไปทางน้ำเงิน) และโดยอัตราส่วนความยาวคลื่น1 + z (ซึ่งมากกว่า 1 สำหรับการเลื่อนไปทางแดง และน้อยกว่า 1 สำหรับการเลื่อนไปทางน้ำเงิน) การสำรวจการเลื่อนไปทางแดงทางดาราศาสตร์แบบอัตโนมัติเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการเรียนรู้เกี่ยวกับโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ การเลื่อนไปทางแดงและการเลื่อนไปทางน้ำเงินยังสามารถเชื่อมโยงกับพลังงานของโฟตอนและผ่านกฎของพลังค์ ไปยัง อุณหภูมิของวัตถุดำที่สอดคล้องกันได้

ตัวอย่างของการเลื่อนความถี่สูง ได้แก่รังสีแกมมาที่ถูกมองว่าเป็นรังสีเอ็กซ์หรือแสงที่มองเห็นได้ในตอนแรกที่ถูกมองว่าเป็นคลื่นวิทยุ รังสี 3000 เคลวิน (K) แรกจากบิ๊กแบงได้เลื่อนความถี่ลงมาไกลมากจนกลายเป็นพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล  3 K การเลื่อนความถี่ที่ละเอียดกว่านั้นพบได้ในการ สังเกตการณ์ ทางสเปกโทรสโกปีของวัตถุทางดาราศาสตร์และใช้ในเทคโนโลยีภาคพื้นดิน เช่นเรดาร์ดอปเปลอร์และปืนเรดาร์คลื่น ความโน้มถ่วงซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสง เช่นกัน ก็ อยู่ภายใต้ปรากฏการณ์การเลื่อนความถี่เดียวกัน^{[ 1 ]}

ยังมีกระบวนการทางกายภาพอื่นๆ ที่สามารถทำให้ความถี่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงได้ เช่นการกระเจิงและปรากฏการณ์ทางแสงอย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนั้นแตกต่างจากปรากฏการณ์เรดชิฟต์ (ทางดาราศาสตร์) และโดยทั่วไปจะไม่เรียกเช่นนั้น

ประวัติความเป็นมาของเรื่องนี้เริ่มต้นในศตวรรษที่ 19 ด้วยการพัฒนากลศาสตร์คลื่นแบบคลาสสิกและการสำรวจปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ปรากฏการณ์นี้ตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวออสเตรียคริสเตียน ดอปเปลอร์ผู้ซึ่งเสนอคำอธิบายทางกายภาพครั้งแรกที่รู้จักสำหรับปรากฏการณ์นี้ในปี 1842 ^{[ 2 ] [ 3 ] : 107} ในปี 1845 สมมติฐานนี้ได้รับการทดสอบและยืนยันสำหรับคลื่นเสียงโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์คริสโตฟอรัส บุยส์ บัลลอต [ ^{4 ] ด}อปเปลอร์ทำนายได้อย่างถูกต้องว่าปรากฏการณ์นี้จะใช้ได้กับคลื่น ทั้งหมด และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาแนะนำว่าสีที่เปลี่ยนแปลงของดาวฤกษ์อาจเกิดจากการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เมื่อเทียบกับโลก^{[ 5 ]}

โดยไม่ทราบถึงงานของดอปเปลอร์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสฮิปโปลิต ฟิโซเสนอในปี 1848 ว่าการเปลี่ยนแปลงของเส้นสเปกตรัมจากดาวฤกษ์อาจใช้ในการวัดการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เทียบกับโลกได้^{[ 3 ] : 109} ในปี 1850 ฟรองซัวส์-นาโปเลียน-มารี มัวญโญได้วิเคราะห์แนวคิดของทั้งดอปเปลอร์และฟิโซในสิ่งพิมพ์ที่เจมส์ คลาร์ก แม็กซ์เวลล์และวิลเลียม ฮักกินส์ อ่าน ซึ่งในตอนแรกพวกเขายังคงยึดติดกับแนวคิดที่ว่าสีของดาวฤกษ์เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมี อย่างไรก็ตาม ในปี 1868 ฮักกินส์เป็นคนแรกที่กำหนดความเร็วของดาวฤกษ์ที่เคลื่อนที่ออกห่างจากโลกโดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัม^{[ 6 ] [ 3 ] : 111}

ในปี พ.ศ. 2414 การเลื่อนแดงทางแสงได้รับการยืนยันเมื่อสังเกตปรากฏการณ์ในเส้น Fraunhoferโดยใช้การหมุนของดวงอาทิตย์ ประมาณ 0.1 Å ในสีแดง^{[ 7 ]}ในปี พ.ศ. 2430 Hermann Carl VogelและJulius Scheinerค้นพบ "ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ประจำปี" ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงรายปีของการเลื่อนดอปเปลอร์ของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้สุริยวิถีเนื่องจากความเร็ววงโคจรของโลก^{[ 8 ]}ในปี พ.ศ. 2444 Aristarkh Belopolskyได้ตรวจสอบการเลื่อนแดงทางแสงในห้องปฏิบัติการโดยใช้ระบบกระจกหมุน^{[ 9 ] [ 7 ]}

จากการสังเกตการณ์ในปี พ.ศ. 2455 เวสโต สลิเฟอร์ค้นพบว่ากาแล็กซีแอนโดรเมดามีการเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน ซึ่งบ่งชี้ว่ามันกำลังเคลื่อนที่เข้าหาโลก^{[ 10 ]}สลิเฟอร์รายงานการวัดของเขาเป็นครั้งแรกในวารสารLowell Observatory Bulletin ฉบับ ปฐมฤกษ์^{[ 11 ]}สามปีต่อมา เขาเขียนบทวิจารณ์ในวารสารPopular Astronomy [ ^{12 ] ใน}นั้นเขากล่าวว่า "การค้นพบในช่วงแรกที่ว่ากาแล็กซีเกลียวแอนโดรเมดาขนาดใหญ่มีความเร็วที่พิเศษมากถึง -300 กม./วินาที แสดงให้เห็นถึงวิธีการที่มีอยู่ในขณะนั้น ซึ่งสามารถตรวจสอบได้ไม่เพียงแต่สเปกตรัมของกาแล็กซีเกลียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเร็วของพวกมันด้วย" ^{[ 12 ]}สลิเฟอร์รายงานความเร็วของเนบิวลาเกลียว 15 แห่ง ที่กระจายอยู่ทั่วทรงกลมท้องฟ้าโดยทั้งหมด ยกเว้นสามแห่ง มีความเร็ว "บวก" ที่สังเกตได้ (นั่นคือความเร็วถอยห่าง) ^{[ 10 ]}

จนกระทั่งปี 1923 ลักษณะของเนบิวลายังไม่ชัดเจน ในปีนั้นเอ็ดวิน ฮับเบิลได้พิสูจน์แล้วว่าสิ่งเหล่านี้คือกาแล็กซีและได้คิดค้นวิธีการวัดระยะทางโดยอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างคาบและความสว่างของดาวแปรแสงเซเฟ อิด ซึ่งทำให้สามารถทดสอบคำทำนายของวิลเลม เดอ ซิตเตอร์ในปี 1917 ที่ว่าการเลื่อนไปทางแดงจะมีความสัมพันธ์กับระยะทาง ในปี 1929 ฮับเบิลได้รวมการประมาณระยะทางของเขากับข้อมูลการเลื่อนไปทางแดงจากรายงานของสลิเฟอร์และการวัดของมิลตัน ฮูมาสันเพื่อรายงานความสัมพันธ์โดยประมาณระหว่างการเลื่อนไปทางแดงและระยะทาง ซึ่งผลลัพธ์นี้เรียกว่ากฎของฮับเบิล^{[ 10 ]} : ^{64 [ 13 ] [ 14 ]}

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างการเลื่อนไปทางแดงกับระยะทางก็พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1920 เช่นกัน คำตอบของสมการสัมพัทธภาพทั่วไปที่อธิบายโดยเดอ ซิตเตอร์นั้นไม่มีสสาร แต่ในปี 1922 อเล็กซานเดอร์ ฟรีดมันน์ได้พัฒนาคำตอบแบบไดนามิก ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าสมการฟรีดมันน์โดยอิงจากแบบจำลองของไหลที่ไม่มีแรงเสียดทาน^{[ 15 ]}จอร์จส์ เลอแมตร์ได้พัฒนาสมการที่คล้ายกันโดยอิสระในปี 1927 และการวิเคราะห์ของเขากลายเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในช่วงเวลาที่ฮับเบิลตีพิมพ์ผลงานสำคัญ^{[ 10 ] : 77}

ในช่วงต้นปี พ.ศ. 2473 การรวมกันของการวัดค่าเรดชิฟต์และแบบจำลองทางทฤษฎีได้สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวิทยาศาสตร์จักรวาลวิทยาใหม่ นั่นคือ จักรวาลมีประวัติความเป็นมา และการขยายตัวของจักรวาลสามารถตรวจสอบได้ด้วยแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่ได้รับการสนับสนุนจากดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์^{[ 10 ] : 99}

เมื่อมีการค้นพบการเลื่อนแดงทางจักรวาลวิทยาเป็นครั้งแรกFritz Zwickyได้เสนอปรากฏการณ์ที่เรียกว่าแสงอ่อนล้าอย่างไรก็ตาม แบบจำลองนี้ถูกปฏิเสธโดยส่วนใหญ่จากการสังเกตการยืดช่วงเวลาในซูเปอร์โนวาประเภท Ia ^{[ 16 ]}

อาร์เธอร์ เอ็ดดิงตันใช้คำว่า "red shift" ตั้งแต่ปี 1923 ซึ่งเป็นตัวอย่างที่เก่าแก่ที่สุดของคำนี้ที่บันทึกไว้ในพจนานุกรมภาษาอังกฤษของออกซ์ฟอร์ด [ ^{17 ] [ 18 ] วิ} ลเลม เดอ ซิตเตอร์ ใช้คำว่า redshiftในรูปแบบคำเดียวในปี 1934 ^{[ 19 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1960 การค้นพบควาซาร์ซึ่งปรากฏเป็นแหล่งกำเนิดแสงจุดสีน้ำเงินมาก และในตอนแรกจึงคิดว่าเป็นดาวฤกษ์ที่ผิดปกติ นำไปสู่แนวคิดที่ว่าพวกมันสว่างมากเพราะอยู่ใกล้กว่าที่ข้อมูลการเลื่อนแดงระบุไว้ งานวิจัยเชิงทฤษฎีและการสังเกตการณ์จำนวนมากสรุปได้ว่าวัตถุเหล่านี้เป็นวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ทรงพลังมากแต่อยู่ไกล^{[ 10 ] : 261}

การเลื่อนไปทางแดงคือความแตกต่างระหว่างการวัดความยาวคลื่นสองครั้ง และความยาวคลื่นเป็นคุณสมบัติของทั้งโฟตอนและอุปกรณ์วัด ดังนั้นการเลื่อนไปทางแดงจึงบ่งบอกถึงความแตกต่างระหว่างตำแหน่งการวัดสองตำแหน่ง ความแตกต่างเหล่านี้มักถูกจัดกลุ่มเป็นสามกลุ่ม ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต การขยายตัวของจักรวาล และแรงโน้มถ่วง^{[ 20 ]}ส่วนต่อไปนี้จะอธิบายกลุ่มเหล่านี้

ถ้าแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกตการณ์ จะเกิดการเลื่อนไปทางแดง ( z > 0 ) ถ้าแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์ จะ เกิดการเลื่อนไปทาง น้ำเงิน ( z < 0 ) ปรากฏการณ์นี้เป็นจริงสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิดและอธิบายได้ด้วยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ดังนั้น การเลื่อนไปทางแดงประเภทนี้จึงเรียกว่าการเลื่อนไปทางแดงแบบดอปเปลอร์ถ้าแหล่งกำเนิดแสงเคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกตการณ์ด้วยความเร็วvซึ่งน้อยกว่าความเร็วแสงมาก ( v ≪ c ) การเลื่อนไปทางแดงจะคำนวณได้จากสูตร

$${\displaystyle z\approx {\frac {v}{c}}}$$

โดยที่cคือความเร็วแสง (เนื่องจาก) ในปรากฏการณ์ดอปเปลอร์แบบคลาสสิก ความถี่ของแหล่งกำเนิดจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่การเคลื่อนที่ถอยหลังทำให้เกิดภาพลวงตาของความถี่ที่ต่ำลง ${\displaystyle \gamma \approx 1}$

การวิเคราะห์ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์อย่างละเอียดมากขึ้น จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง สามารถดูรายละเอียดการคำนวณผลกระทบนี้ได้ในบทความเกี่ยวกับปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพโดยสรุป วัตถุที่เคลื่อนที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสงจะเกิดการเบี่ยงเบนจากสูตรข้างต้นเนื่องจากการยืดเวลาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการนำ ค่า ตัวประกอบลอเรนซ์γมาใช้ในสูตรดอปเปลอร์แบบคลาสสิก ดังนี้ (สำหรับการเคลื่อนที่เฉพาะในแนวสายตา):

$${\displaystyle 1+z=\left(1+{\frac {v}{c}}\right)\gamma .}$$

ปรากฏการณ์นี้ได้รับการสังเกตครั้งแรกในการทดลองในปี พ.ศ. 2471 ที่ดำเนินการโดย^Herbert E. Ivesและ GR Stilwell ซึ่งเรียกว่าการทดลอง Ives–Stilwell [ ^{21 ]}

เนื่องจากปัจจัยลอเรนซ์ขึ้นอยู่กับขนาดของความเร็วเท่านั้น ทำให้การเลื่อนไปทางแดงที่เกี่ยวข้องกับการแก้ไขเชิงสัมพัทธภาพเป็นอิสระจากทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด ในทางตรงกันข้าม ส่วนคลาสสิกของสูตรขึ้นอยู่กับการฉายภาพการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดไปยังเส้นสายตาซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันสำหรับทิศทางที่แตกต่างกัน หากθคือมุมระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่สัมพัทธ์และทิศทางการปล่อยในกรอบของผู้สังเกต^{[ 22 ]} (มุมศูนย์คือหันออกจากผู้สังเกตโดยตรง) รูปแบบเต็มสำหรับปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพจะเป็นดังนี้:

$${\displaystyle 1+z={\frac {1+v\cos(\theta )/c}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$$

และสำหรับการเคลื่อนที่เฉพาะในแนวสายตา ( θ = 0° ) สมการนี้จะลดรูปเหลือดังนี้:

$${\displaystyle 1+z={\sqrt {\frac {1+v/c}{1-v/c}}}}$$

สำหรับกรณีพิเศษที่แสงเคลื่อนที่ในมุมฉาก ( θ = 90° ) กับทิศทางการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ในกรอบของผู้สังเกต^{[ 23 ]}การเลื่อนแดงเชิงสัมพัทธภาพเรียกว่าการเลื่อนแดงตามขวางและการเลื่อนแดง:

$${\displaystyle 1+z={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$$

มีการวัดแม้ว่าวัตถุจะไม่เคลื่อนที่ออกไปจากผู้สังเกตการณ์ก็ตาม แม้ว่าแหล่งกำเนิดจะเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์ หากมีองค์ประกอบตามขวางในการเคลื่อนที่ ก็จะมีความเร็วบางค่าที่การขยายตัวจะหักล้างการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินที่คาดไว้ และที่ความเร็วที่สูงขึ้น แหล่งกำเนิดที่กำลังเข้าใกล้จะเลื่อนไปทางสีแดง^{[ 24 ]}

การสังเกตค่าเรดชิฟต์ที่เพิ่มขึ้นจากกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปเรื่อยๆ สามารถสร้างแบบจำลองได้โดยสมมติว่าเอกภพมีความเป็นเนื้อเดียวกันและสมมาตรรวมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ค่า เรดชิฟต์ทางจักรวาลวิทยานี้สามารถเขียนได้เป็นฟังก์ชันของaซึ่งเป็นปัจจัยมาตราส่วนจักรวาลที่ขึ้นอยู่กับเวลา: ^{[ 25 ] : 72}

$${\displaystyle 1+z={\frac {a_{\mathrm {now} }}{a_{\mathrm {then} }}}={\frac {a_{0}}{a(t)}}}$$

ค่าตัวประกอบมาตราส่วนจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป ดังนั้นzจึงเป็นค่าบวก ใกล้ศูนย์สำหรับดาวฤกษ์ในบริเวณใกล้เคียง และเพิ่มขึ้นสำหรับกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปซึ่งปรากฏให้เห็นเป็นการเลื่อนไปทางแดง

โดยใช้แบบจำลองการขยายตัวของเอกภพแบบ Friedmann–Robertson–Walker ค่าการเลื่อนไปทางแดง (redshift) สามารถเชื่อมโยงกับอายุของวัตถุที่สังเกตได้ ซึ่งเรียกว่าความสัมพันธ์ระหว่างเวลาในเอกภพกับค่าการเลื่อนไปทางแดง ให้ Ω ₀แทนอัตราส่วนความหนาแน่น:

$${\displaystyle \Omega _{0}={\frac {\rho }{\rho _{\text{crit}}}}\ ,}$$

โดยที่ρ _critคือความหนาแน่นวิกฤตที่แบ่งแยกเอกภพที่ในที่สุดจะยุบตัวออกจากเอกภพที่เพียงแค่ขยายตัว ความหนาแน่นนี้อยู่ที่ประมาณอะตอมไฮโดรเจนสามอะตอมต่อลูกบาศก์เมตรของอวกาศ^{[ 26 ]}ที่ค่าเรดชิฟต์สูง1 + z > Ω ₀ ⁻¹พบว่า:

$${\displaystyle t(z)\approx {\frac {2}{3H_{0}{\Omega _{0}}^{1/2}}}({\frac {1}{z^{3/2}}}\ ),}$$

โดยที่tคืออายุของวัตถุหลังจากบิ๊กแบงH ₀ คือ ค่าคงที่ฮับเบิลในปัจจุบันและzคือค่าเรดชิฟต์^{[ 27 ] [ 28 ]}สำหรับค่าเรดชิฟต์ขนาดใหญ่เหล่านี้ อายุของจักรวาลt(z)จะมีค่าน้อย ซึ่งหมายความว่าแสงถูกปล่อยออกมาเมื่อจักรวาลยังอายุน้อย

โดยทั่วไปแล้ว การเลื่อนความถี่เชิงจักรวาลวิทยา ( cosmological redshift)เกิดจากการยืดของความยาวคลื่นของโฟตอนเนื่องจากการยืดของอวกาศ การตีความนี้อาจทำให้เข้าใจผิดได้ ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป กำหนดไว้ การขยายตัวเชิงจักรวาลวิทยาของอวกาศไม่มีผลต่อฟิสิกส์เฉพาะที่ ไม่มีพจน์ใดที่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวในสมการของแม็กซ์เวลล์ที่ควบคุมการแพร่กระจายของแสง การเลื่อนความถี่เชิงจักรวาลวิทยาอาจตีความได้ว่าเป็นการสะสมของการเลื่อนความถี่แบบดอปเปลอร์ที่เล็กมากตามเส้นทางของแสง^{[ 29 ]}

มีเว็บไซต์หลายแห่งสำหรับการคำนวณเวลาและระยะทางต่างๆ จากเรดชิฟต์ เนื่องจากการคำนวณที่แม่นยำต้องใช้ปริพันธ์เชิงตัวเลขสำหรับค่าพารามิเตอร์ส่วนใหญ่^{[ 30 ] [ 31 ]}

การเลื่อนไปทางแดงของกาแล็กซีประกอบด้วยส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับความเร็วการถอยห่างจากการขยายตัวของจักรวาล และส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่เฉพาะของกาแล็กซีเมื่อเทียบกับจักรวาลท้องถิ่น^{[ 32 ]}การเลื่อนไปทางแดงเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาลขึ้นอยู่กับความเร็วการถอยห่างในลักษณะที่กำหนดโดยแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่เลือกใช้เพื่ออธิบายการขยายตัวของจักรวาล ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากวิธีที่การเลื่อนไปทางแดงแบบดอปเปลอร์ขึ้นอยู่กับความเร็วท้องถิ่น^{[ 33 ]}ในการอธิบายต้นกำเนิดของการขยายตัวของจักรวาลที่ทำให้เกิดการเลื่อนไปทางแดง นักจักรวาลวิทยาEdward Robert Harrisonกล่าวว่า "แสงออกจากกาแล็กซีซึ่งอยู่กับที่ในบริเวณอวกาศท้องถิ่น และในที่สุดก็ถูกรับโดยผู้สังเกตการณ์ซึ่งอยู่กับที่ในบริเวณอวกาศท้องถิ่นของตนเอง ระหว่างกาแล็กซีและผู้สังเกตการณ์ แสงเดินทางผ่านบริเวณกว้างใหญ่ของอวกาศที่กำลังขยายตัว ผลก็คือ ความยาวคลื่นทั้งหมดของแสงจะถูกยืดออกโดยการขยายตัวของอวกาศ มันง่ายแค่นั้นเอง..." ^{[ 34 ]} Steven Weinbergชี้แจงว่า "การเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นจากการปล่อยไปจนถึงการดูดกลืนแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของa ( t ) [ ปัจจัยมาตราส่วน ] ในช่วงเวลาของการปล่อยหรือการดูดกลืน แต่ขึ้นอยู่กับการเพิ่มขึ้นของa ( t )ในช่วงเวลาทั้งหมดตั้งแต่การปล่อยไปจนถึงการดูดกลืน" ^{[ 35 ]}

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีการยืดเวลาภายในบ่อแรงโน้มถ่วง แสงที่ปล่อยออกมาภายในบ่อจะปรากฏว่ามีรอบต่อวินาทีน้อยลงเมื่อวัดภายนอกบ่อ เนื่องจากความแตกต่างในนาฬิกาทั้งสอง^{[ 36 ] : 284} ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงหรือการเลื่อนความถี่ของไอน์สไตน์ [ ^{37 ] การ}พิสูจน์ทางทฤษฎีของปรากฏการณ์นี้มาจากการแก้ปัญหาของ Schwarzschildของ สมการของไอ น์สไตน์ซึ่งให้สูตรต่อไปนี้สำหรับการเลื่อนความถี่ที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนที่เดินทางในสนามแรงโน้มถ่วงของ มวล ที่ไม่มีประจุ ไม่หมุนและ มี สมมาตรทรงกลม :

$${\displaystyle 1+z={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}}}},}$$

ที่ไหน

• Gคือที่ความโน้มถ่วง
• Mคือมวลของวัตถุที่สร้างสนามโน้มถ่วง
• rคือพิกัดรัศมีของแหล่งกำเนิด (ซึ่งคล้ายคลึงกับระยะทางแบบคลาสสิกจากจุดศูนย์กลางของวัตถุ แต่จริงๆ แล้วเป็นพิกัด Schwarzschild ) และ
• cคือความเร็วแสง

ผลลัพธ์การเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงนี้สามารถอนุมานได้จากสมมติฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและหลักการสมดุลไม่จำเป็นต้องใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบเต็มรูปแบบ^{[ 38 ]}

ผลกระทบมีขนาดเล็กมากแต่สามารถวัดได้บนโลกโดยใช้ปรากฏการณ์ Mössbauerและถูกสังเกตครั้งแรกในการทดลอง Pound–Rebka [ ^{39 ] อย่างไรก็ตาม}ผลกระทบนี้มีความสำคัญมากเมื่ออยู่ใกล้หลุมดำและเมื่อวัตถุเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์การเลื่อนไปทางแดงจะกลายเป็นอนันต์ นอกจากนี้ยังเป็นสาเหตุหลักของการผันผวนของอุณหภูมิในระดับเชิงมุมขนาดใหญ่ใน รังสี พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล (ดูปรากฏการณ์ Sachs–Wolfe ) ^{[ 40 ]}

สูตรกรณีพิเศษที่สำคัญหลายสูตรสำหรับการเลื่อนไปทางแดงในเรขาคณิตของปริภูมิเวลาพิเศษบางประเภทได้รับการสรุปไว้ในตารางต่อไปนี้ ในทุกกรณี ขนาดของการเลื่อน (ค่าของz ) จะไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น^{[ 41 ]}

การใช้กล้องโทรทรรศน์และสเปกโทรเมตรทำให้สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงดาวตามความถี่ได้ สเปกตรัมที่ได้สามารถนำไปเปรียบเทียบกับสเปกตรัมของก๊าซร้อนที่คาดว่าจะพบในดาวฤกษ์ เช่นไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการบนโลก ดังแสดงในภาพสเปกตรัมในอุดมคติที่มุมบนขวา เพื่อหาค่าการเลื่อนไปทางแดง (redshift) สามารถดูการเปลี่ยนแปลงของลักษณะต่างๆ ในสเปกตรัมทั้งสอง เช่นเส้นดูดกลืนเส้นปล่อยหรือการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงอื่นๆ ได้

การเลื่อนไปทางแดง (และการเลื่อนไปทางน้ำเงิน) อาจมีลักษณะเฉพาะโดยความแตกต่างสัมพัทธ์ระหว่างความยาวคลื่น (หรือความถี่) ที่สังเกตได้และที่ปล่อยออกมาของวัตถุ ในทางดาราศาสตร์ เป็นเรื่องปกติที่จะอ้างถึงการเปลี่ยนแปลงนี้โดยใช้ปริมาณที่ไม่มีมิติที่เรียกว่าzหากλแทนความยาวคลื่นและfแทนความถี่ (หมายเหตุλf = cโดยที่cคือความเร็วแสง ) แล้วzจะถูกกำหนดโดยสมการ: ^{[ 43 ]}

การคำนวณค่าเรดชิฟต์${\displaystyle z}$

อ้างอิงจากความยาวคลื่น	โดยพิจารณาจากความถี่
${\displaystyle z={\frac {\lambda _{\mathrm {obsv} }-\lambda _{\mathrm {emit} }}{\lambda _{\mathrm {emit} }}}}$	${\displaystyle z={\frac {f_{\mathrm {emit} }-f_{\mathrm {obsv} }}{f_{\mathrm {obsv} }}}}$
${\displaystyle 1+z={\frac {\lambda _{\mathrm {obsv} }}{\lambda _{\mathrm {emit} }}}}$	${\displaystyle 1+z={\frac {f_{\mathrm {emit} }}{f_{\mathrm {obsv} }}}}$

การเลื่อน ความถี่เนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปล อร์ไปทางสีน้ำเงิน ( z < 0 ) เกี่ยวข้องกับวัตถุที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ผู้สังเกต โดยแสงจะเลื่อนไปสู่พลังงาน ที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน การเลื่อนความถี่เนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ไปทางสีแดง ( z > 0 ) เกี่ยวข้องกับวัตถุที่เคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกต โดยแสงจะเลื่อนไปสู่พลังงานที่ต่ำลง ในทำนองเดียวกัน การเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงไปทางสีน้ำเงินเกี่ยวข้องกับแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดที่อยู่ในสนามโน้มถ่วง ที่อ่อนกว่า เมื่อสังเกตจากภายในสนามโน้มถ่วงที่แรงกว่า ในขณะที่การเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงไปทางสีแดงหมายถึงสภาวะตรงกันข้าม

การเลื่อนไปทางแดงที่สังเกตได้ในทางดาราศาสตร์สามารถวัดได้ เนื่องจาก สเปกตรัม การปล่อยและการดูดกลืนของอะตอมมีลักษณะเฉพาะและเป็นที่รู้จักกันดี โดยได้รับการสอบเทียบจากการทดลองทางสเปกโทรสโกปี ใน ห้องปฏิบัติการบนโลก เมื่อวัดการเลื่อนไปทางแดงของเส้นดูดกลืนและเส้นปล่อยต่างๆ จากวัตถุทางดาราศาสตร์ชิ้นเดียวจะพบว่าค่าz มีความคงที่อย่างน่าทึ่ง แม้ว่าวัตถุที่อยู่ไกลออกไปอาจจะเบลอเล็กน้อยและเส้นต่างๆ จะกว้างขึ้น แต่ก็ไม่เกินไปกว่าที่สามารถอธิบายได้ด้วย การเคลื่อนที่ทางความร้อนหรือทางกลของแหล่งกำเนิด ด้วยเหตุผลเหล่านี้และเหตุผลอื่นๆ นักดาราศาสตร์จึงเห็นพ้องกันว่าการเลื่อนไปทางแดงที่พวกเขาพบนั้นเกิดจากการรวมกันของรูปแบบการเลื่อนไปทางแดงแบบดอปเปลอร์ทั้งสามรูปแบบที่ได้รับการยอมรับแล้ว

การวัดด้วยสเปกโทรสโกปีนั้นยากกว่าการวัดด้วยโฟโตเมตรี แบบง่ายๆ มาก ซึ่งโฟโตเมตรีจะวัดความสว่างของวัตถุทางดาราศาสตร์ผ่านตัวกรอง บางชนิด เมื่อมีข้อมูลโฟโตเมตรีเพียงอย่างเดียว (เช่นHubble Deep FieldและHubble Ultra Deep Field ) นักดาราศาสตร์จึงต้องอาศัยเทคนิคในการวัดค่าเรดชิฟต์ด้วยโฟโตเมตรี [ ^{45 ] เนื่องจาก}ช่วงความยาวคลื่นที่กว้างในตัวกรองโฟโตเมตรีและข้อสมมติฐานที่จำเป็นเกี่ยวกับลักษณะของสเปกตรัมที่แหล่งกำเนิดแสงข้อผิดพลาดสำหรับการวัดประเภทนี้จึงอาจมีค่าสูงถึงδ z = 0.5และมีความน่าเชื่อถือน้อยกว่าการกำหนดค่าด้วยสเปกโทรสโกปีมาก^{[ 46 ]}

อย่างไรก็ตาม การวัดแสงอย่างน้อยก็ช่วยให้สามารถระบุลักษณะเชิงคุณภาพของการเลื่อนไปทางแดงได้ ตัวอย่างเช่น หากสเปกตรัมที่คล้ายกับดวงอาทิตย์มีการเลื่อนไปทางแดงเท่ากับz = 1 สเปกตรัม นั้นจะสว่างที่สุดในย่านอินฟราเรด (1000 นาโนเมตร) แทนที่จะเป็นสีน้ำเงินเขียว (500 นาโนเมตร) ซึ่งเกี่ยวข้องกับจุดสูงสุดของ สเปกตรัม วัตถุดำและความเข้มของแสงจะลดลงในตัวกรองด้วยปัจจัยสี่(1 + z ) ²ทั้งอัตราการนับโฟตอนและพลังงานของโฟตอนจะเลื่อนไปทางแดง (ดูการแก้ไข Kสำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบทางโฟโตเมตริกของการเลื่อนไปทางแดง)

การหาค่าเรดชิฟต์ของวัตถุด้วยสเปกโทรสโกปีต้องอาศัยความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาในกรอบอ้างอิงของแหล่งกำเนิด การประยุกต์ใช้ทางดาราศาสตร์อาศัยเส้นสเปกตรัมที่ชัดเจน ไม่สามารถคำนวณค่าเรดชิฟต์ได้โดยการดูคุณลักษณะที่ไม่ระบุซึ่งความถี่ในกรอบอ้างอิงไม่เป็นที่รู้จัก หรือด้วยสเปกตรัมที่ไม่มีลักษณะเฉพาะหรือเป็นสัญญาณรบกวนสีขาว (ความผันผวนแบบสุ่มในสเปกตรัม) ดังนั้นการระเบิดรังสีแกมมาเองจึงไม่สามารถใช้ในการวัดค่าเรดชิฟต์ได้อย่างน่าเชื่อถือ แต่แสงเรืองรองทางแสงที่เกี่ยวข้องกับการระเบิดสามารถนำมาวิเคราะห์หาค่าเรดชิฟต์ได้^{[ 47 ]}

ในวัตถุใกล้เคียง (ภายใน กาแล็กซี ทางช้างเผือก ของเรา ) การเลื่อนไปทางแดงที่สังเกตได้นั้นเกือบจะเกี่ยวข้องกับ ความเร็ว ตามแนวสายตาที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่กำลังสังเกตอยู่เสมอ การสังเกตการเลื่อนไปทางแดงและการเลื่อนไปทางน้ำเงินดังกล่าวทำให้นักดาราศาสตร์สามารถวัดความเร็วและกำหนดพารามิเตอร์มวลของดาวฤกษ์ที่โคจร ใน ระบบดาว คู่แบบสเปกโทรสโก ปี ได้ ในทำนองเดียวกัน การเลื่อนไปทางแดงและการเลื่อนไปทางน้ำเงินเล็กน้อยที่ตรวจพบในการวัดสเปกโทรสโกปีของดาวฤกษ์แต่ละดวงเป็นวิธีหนึ่งที่นักดาราศาสตร์สามารถวินิจฉัยและวัดการมีอยู่และลักษณะของระบบดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ดวงอื่นได้ และยังได้ทำการวัดการเลื่อนไปทางแดงแบบละเอียดมากในระหว่างการเคลื่อนผ่านของดาวเคราะห์เพื่อกำหนดพารามิเตอร์วงโคจรที่แม่นยำ วิธีการบางอย่างสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงการเลื่อนไปทางแดงในวัตถุหลายชิ้นพร้อมกันได้^{[ 48 ]}

^{การวัดค่าเรดชิฟ ต์}อย่างละเอียดใช้ในเฮลิโอซีสโมโลจีเพื่อกำหนดการเคลื่อนที่ที่แม่นยำของโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์^{[ 49 ]} เรดชิฟต์ยังถูกนำมาใช้ใน การวัด อัตรา การหมุนของดาวเคราะห์ เป็นครั้งแรก [ ^{50 ]}ความเร็วของเมฆระหว่างดาว [ ^{51 ]}การหมุนของกาแล็กซี [ ^{41 ]}และพลศาสตร์ของการสะสมมวลบนดาวนิวตรอนและหลุมดำซึ่งแสดงทั้งเรดชิฟต์แบบดอปเปลอร์และแบบแรงโน้มถ่วง^{[ 52 ]}อุณหภูมิ ของวัตถุที่ปล่อยและดูดกลืน ^แสงต่างๆ สามารถหาได้จากการวัด^การขยายตัวแบบดอปเปลอร์ ซึ่งก็คือเรดชิฟต์และบลูชิฟต์เหนือเส้นการปล่อยหรือการดูดกลืนแสงเส้นเดียว^{[ 53 ]} ด้วยการวัดการขยายตัวและการเลื่อนของ เส้นไฮโดรเจน 21 เซนติเมตรในทิศทางต่างๆ นักดาราศาสตร์จึงสามารถวัดความเร็วการถอยห่างของก๊าซระหว่างดาวฤกษ์ซึ่งในทางกลับกันเผยให้เห็นเส้นโค้งการหมุนของกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา^{[ 41 ]}การวัดที่คล้ายกันนี้ได้ดำเนินการกับกาแล็กซีอื่นๆ เช่นแอนโดรเมดา^{[ 41 ]}

วัตถุที่อยู่ไกลที่สุดแสดงค่าเรดชิฟต์ที่มากขึ้นซึ่งสอดคล้องกับการไหลของจักรวาล แบบฮับเบิล ค่าเรด ชิฟต์ ที่สังเกตได้มากที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางที่ไกลที่สุดและย้อนเวลากลับไปไกลที่สุด คือค่าของ รังสี พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลค่าตัวเลขของเรดชิฟต์อยู่ที่ประมาณz = 1089 ( z = 0สอดคล้องกับเวลาปัจจุบัน) และแสดงสถานะของจักรวาลเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน^{[ 54 ]}และ 379,000 ปีหลังจากช่วงเวลาเริ่มต้นของบิ๊กแบง

แกนกลางที่มีลักษณะเป็นจุดสว่างของควาซาร์เป็นวัตถุ "เรดชิฟต์สูง" ( z > 0.1 ) แรกที่ถูกค้นพบก่อนที่การพัฒนาของกล้องโทรทรรศน์จะทำให้สามารถค้นพบกาแล็กซีเรดชิฟต์สูงอื่นๆ ได้^{[ 55 ]}

สำหรับกาแล็กซีที่อยู่ไกลกว่ากลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่นและกระจุกดาวเวอร์โก ที่อยู่ใกล้เคียง แต่ภายในระยะประมาณหนึ่งพันเมกะพาร์เซกค่าการเลื่อนไปทางแดงจะแปรผันโดยประมาณกับระยะทางของกาแล็กซี ความสัมพันธ์นี้ได้รับการสังเกตครั้งแรกโดยเอ็ดวิน ฮับเบิลและเป็นที่รู้จักกันในชื่อกฎของฮับเบิลเวสโต สลิเฟอร์เป็นคนแรกที่ค้นพบค่าการเลื่อนไปทางแดงของกาแล็กซีในราวปี 1912 ในขณะที่ฮับเบิลได้เชื่อมโยงการวัดของสลิเฟอร์กับระยะทางที่เขาวัดด้วยวิธีอื่นเพื่อกำหนดกฎของเขา[ ^{56 ]}เนื่องจากโดยปกติแล้วไม่ทราบว่า วัตถุ มีความสว่าง มากเพียงใด การวัดค่าการเลื่อนไปทางแดง ^จึงง่ายกว่าการวัดระยะทางโดยตรง ดังนั้นในทางปฏิบัติบางครั้งจึงแปลงค่าการเลื่อนไปทางแดงเป็นการวัดระยะทางอย่างคร่าวๆ โดยใช้กฎของฮับเบิล^{[ 57 ]}

ปฏิสัมพันธ์ ทางแรงโน้มถ่วงระหว่างกาแล็กซีด้วยกันและกระจุกกาแล็กซีทำให้เกิดการกระจัดกระจาย อย่างมีนัยสำคัญ ในแผนภาพฮับเบิลแบบปกติความเร็วเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับกาแล็กซีจะซ้อนทับร่องรอยคร่าวๆ ของมวลของวัตถุที่สมดุลในเอกภพ ผลกระทบนี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น กาแล็กซีใกล้เคียง (เช่นกาแล็กซีแอนโดรเมดา ) แสดงการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเมื่อเราเข้าใกล้จุดศูนย์กลางมวล ร่วม และแผนที่การเลื่อนไปทางสีแดงของกระจุกกาแล็กซีแสดง ปรากฏการณ์ คล้ายนิ้วมือของพระเจ้าเนื่องจากการกระจัดกระจายของความเร็วเฉพาะในลักษณะการกระจายตัวแบบทรงกลมโดยประมาณ^{[ 58 ]} "การบิดเบือนในปริภูมิการเลื่อนไปทางสีแดง" เหล่านี้สามารถใช้เป็นเครื่องมือสำรวจจักรวาลวิทยาได้ด้วยตัวเอง โดยให้ข้อมูลเกี่ยวกับการก่อตัวของโครงสร้างในเอกภพ^{[ 59 ]}และพฤติกรรมของแรงโน้มถ่วงในระดับใหญ่^{[ 60 ]}

ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างระยะทางและการเลื่อนไปทางแดงของกฎของฮับเบิลนั้นถือว่าอัตราการขยายตัวของเอกภพคงที่ อย่างไรก็ตาม เมื่อเอกภพยังอายุน้อยกว่า อัตราการขยายตัว และดังนั้น "ค่าคงที่" ของฮับเบิล จึงมีค่ามากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน ดังนั้น สำหรับกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไป ซึ่งแสงได้เดินทางมาถึงเราเป็นเวลานานกว่ามาก การประมาณอัตราการขยายตัวคงที่จึงใช้ไม่ได้ผล และกฎของฮับเบิลจึงกลายเป็นความสัมพันธ์เชิงปริพันธ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นและขึ้นอยู่กับประวัติของอัตราการขยายตัวนับตั้งแต่การปล่อยแสงจากกาแล็กซีดังกล่าว การสังเกตความสัมพันธ์ระหว่างการเลื่อนไปทางแดงและระยะทางจึงสามารถนำมาใช้เพื่อกำหนดประวัติการขยายตัวของเอกภพ และด้วยเหตุนี้จึงสามารถกำหนดเนื้อหาของสสารและพลังงานได้^{[ 61 ]}

เป็นที่เชื่อกันมานานแล้วว่าอัตราการขยายตัวลดลงอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่บิ๊กแบง แต่การสังเกตการณ์ความสัมพันธ์ระหว่างการเลื่อนแดงกับระยะทางที่เริ่มต้นในปี 1988 โดยใช้ซูเปอร์โนวาประเภท Iaชี้ให้เห็นว่าในช่วงเวลาไม่นานมานี้ อัตราการขยายตัวของจักรวาลเริ่มเร่งตัวขึ้น^{[ 62 ]}

สถิติการสังเกตค่าเรดชิฟต์ที่ใหญ่ที่สุดได้รับการบันทึกและทำลายซ้ำแล้วซ้ำเล่าเมื่อเทคโนโลยีการสังเกตการณ์ก้าวหน้าขึ้น[ ^{63 ] ค่า}เรดชิฟต์ที่น่าเชื่อถือที่สุดมาจากการสังเกตเส้นสเปกตรัม^{[ 64 ]}กาแล็กซีที่ครองสถิติค่าเรดชิฟต์สเปกโตรสโคปิกที่ใหญ่ที่สุด ได้แก่GN-z11ที่มีค่าเรดชิฟต์z = 11.1 ^{[ 65 ]}ซึ่งสอดคล้องกับ 400 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง; JADES-GS-z14-0ที่z = 14.32 (290 ล้านปี); ^{[ 66 ]}และMoM-z14ที่z = 14.44 (280 ล้านปี) ^{[ 67 ]}

ค่าเรดชิฟต์ Lyman-breakนั้นมีความน่าเชื่อถือน้อยกว่าเล็กน้อยเช่น กาแล็กซีเลนส์ A1689-zD1 ที่เรดชิฟต์z = 7.5 [ ^{68 ] [ 69 ] การ}ระเบิดรังสีแกมมาที่สังเกตได้ไกลที่สุดพร้อมการวัดเรดชิฟต์แบบสเปกโทรสโกปีคือGRB 090423ซึ่งมีค่าเรดชิฟต์z = 8.2 [ ^{70 ] ค}วาซาร์ที่รู้จักที่อยู่ไกลที่สุดคือUHZ1ซึ่งอยู่ที่z = 10.1 [ ^{71 ] [ 72 ] กาแล็กซี}วิทยุที่มีค่าเรดชิฟต์สูงสุดที่รู้จักคือILT J2336+1842ซึ่งอยู่ที่เรดชิฟต์^z = 6.6 [ ^{73 ]}และตรวจพบวัสดุโมเลกุล ( คาร์บอนมอนอกไซด์ ) ได้ไกลถึงz = 6.9 ^{[ 74 ]}

วัตถุสีแดงจัด (EROs) เป็นแหล่งกำเนิดรังสีทางดาราศาสตร์ที่แผ่พลังงานในช่วงสีแดงและใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า อาจเป็นกาแล็กซีที่เกิดการระเบิดของดาวฤกษ์ซึ่งมีค่าเรดชิฟต์สูงและมีสีแดงขึ้นเนื่องจากฝุ่นที่อยู่ระหว่างกลาง หรืออาจเป็นกาแล็กซีรูปวงรีที่มีค่าเรดชิฟต์สูงและมีประชากรดาวฤกษ์ที่เก่ากว่า (และจึงมีสีแดงกว่า) ^{[ 75 ]}วัตถุที่มีสีแดงกว่า EROs เรียกว่าวัตถุสีแดงจัดมาก (HEROs) ^{[ 76 ]}

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2558 นักดาราศาสตร์รายงานหลักฐานของดาวฤกษ์ประเภท Population IIIในกาแล็กซีCosmos Redshift 7 ที่z = 6.60ดาวฤกษ์ดังกล่าวน่าจะมีอยู่จริงในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล (เช่น ที่ค่าเรดชิฟต์สูง) และอาจเริ่มต้นการผลิตธาตุเคมีที่หนักกว่าไฮโดรเจนซึ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของดาวเคราะห์และสิ่งมีชีวิตอย่างที่เราทราบกัน ในภายหลัง ^{[ 77 ] [ 78 ]}

ถึงกระนั้น แหล่งกำเนิดโบราณกลับมีค่าเรดชิฟต์สูงกว่าวัตถุทางดาราศาสตร์ที่อยู่ไกลที่สุดที่สังเกตได้มากพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลมีค่าเรดชิฟต์z = 1089ซึ่งสอดคล้องกับอายุประมาณ 379,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง และระยะทางที่แท้จริงมากกว่า 46 พันล้านปีแสง^{[ 79 ]}ค่าเรดชิฟต์นี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเฉลี่ยจาก 3000 K ลงเหลือ 3 K ^{[ 80 ]}แสงแรกที่ยังไม่ได้รับการสังเกตจากดาวฤกษ์ Population III ที่เก่าแก่ที่สุด ไม่นานหลังจากที่อะตอมก่อตัวขึ้นครั้งแรกและ CMB หยุดการดูดซับเกือบสมบูรณ์ อาจมีค่าเรดชิฟต์อยู่ในช่วง20 < z < 100 ^{[ 81 ]}เหตุการณ์เรดชิฟต์สูงอื่นๆ ที่ทำนายโดยฟิสิกส์แต่ยังไม่สามารถสังเกตได้ในปัจจุบัน ได้แก่พื้นหลังนิวตริโนจักรวาลจากประมาณสองวินาทีหลังจากบิ๊กแบง (และเรดชิฟต์ที่เกินz > 10 ¹⁰ ) ^{[ 82 ]}และพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงจักรวาล^ที่ปล่อยออกมาโดยตรงจากการขยายตัวที่เรดชิฟต์ที่เกินz > 10 ^{25 [ 83} ]

ด้วยการเกิดขึ้นของกล้องโทรทรรศน์อัตโนมัติและการปรับปรุงสเปกโทรสโคปทำให้เกิดความร่วมมือมากมายในการทำแผนที่จักรวาลในอวกาศเรดชิฟต์ โดยการรวมเรดชิฟต์เข้ากับข้อมูลตำแหน่งเชิงมุม การสำรวจเรดชิฟต์จะทำแผนที่การกระจายตัวแบบ 3 มิติของสสารภายในขอบเขตของท้องฟ้า การสังเกตการณ์เหล่านี้ใช้ในการวัดคุณสมบัติของโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลกำแพงเมือง จีน ซึ่งเป็น กระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ ที่มีความกว้างมากกว่า 500 ล้าน ปีแสงเป็นตัวอย่างที่น่าทึ่งของโครงสร้างขนาดใหญ่ที่การสำรวจเรดชิฟต์สามารถตรวจจับได้^{[ 84 ]}

การสำรวจการเลื่อนแดงครั้งแรกคือการสำรวจการเลื่อนแดง CfAซึ่งเริ่มต้นในปี 1977 โดยการเก็บรวบรวมข้อมูลเบื้องต้นเสร็จสมบูรณ์ในปี 1982 ^{[ 85 ]}เมื่อไม่นานมานี้การสำรวจการเลื่อนแดงกาแล็กซี 2dFได้กำหนดโครงสร้างขนาดใหญ่ของส่วนหนึ่งของจักรวาล โดยวัดการเลื่อนแดงสำหรับกาแล็กซีมากกว่า 220,000 แห่ง การเก็บรวบรวมข้อมูลเสร็จสมบูรณ์ในปี 2002 และชุดข้อมูล สุดท้าย ได้รับการเผยแพร่เมื่อวันที่ 30 มิถุนายน 2003 ^{[ 86 ] [ 87 ]}การสำรวจท้องฟ้าดิจิทัลสโลน (SDSS) เริ่มเก็บรวบรวมข้อมูลในปี 1998 ^{[ 88 ]}และเผยแพร่ข้อมูลชุดที่สิบแปดในปี 2023 ^{[ 89 ]} SSDS ได้วัดการเลื่อนแดงสำหรับกาแล็กซีที่มีค่าสูงถึง 0.8 และบันทึกควาซาร์ มากกว่า 100,000 แห่ง ที่z = 3และสูงกว่านั้น^{[ 90 ]}การสำรวจการเลื่อนแดง DEEP2ใช้กล้องโทรทรรศน์ Keck ร่วมกับ สเปกโตรกราฟ "DEIMOS" ซึ่งเป็นโครงการต่อเนื่องจากโครงการนำร่อง DEEP1 โดย DEEP2 ได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดกาแล็กซีที่จางมากที่มีการเลื่อนแดง 0.7 ขึ้นไป และบันทึกการเลื่อนแดงของวัตถุมากกว่า 38,000 ชิ้นเมื่อสิ้นสุดโครงการในปี 2013 ^{[ 91 ] [ 92 ]}

ปฏิสัมพันธ์และปรากฏการณ์ที่สรุปไว้ในหัวข้อการถ่ายโอนรังสีและทัศนศาสตร์เชิงฟิสิกส์สามารถส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นและความถี่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในกรณีดังกล่าว การเปลี่ยนแปลงจะสอดคล้องกับการถ่ายโอนพลังงานทางกายภาพไปยังสสารหรือโฟตอนอื่น ๆ แทนที่จะเป็นการแปลงระหว่างกรอบอ้างอิง การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวอาจเกิดจากปรากฏการณ์ทางกายภาพ เช่นผลกระทบของความสอดคล้องหรือการกระเจิงของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็นจากอนุภาคพื้นฐานที่มีประจุ จากอนุภาคหรือจากความผันผวนของดัชนีการหักเหของแสงใน ตัวกลาง ไดอิเล็กทริกเช่นที่เกิดขึ้นในปรากฏการณ์คลื่นวิทยุของคลื่นเสียงหวีด [ ^{41 ] ใน}ขณะที่ปรากฏการณ์ดังกล่าวบางครั้งเรียกว่า "redshift" และ "blueshift" ในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานในสนามรังสีโดยทั่วไปเรียกว่า "reddening" มากกว่า "redshifting" ซึ่งเป็นคำที่ปกติสงวนไว้สำหรับผลกระทบที่กล่าวถึงข้าง^ต้น[ 41 ^]

ในหลายกรณี การกระเจิงทำให้รังสีเปลี่ยนเป็นสีแดงเนื่องจากเอนโทรปีส่งผลให้ โฟตอน พลังงาน ต่ำจำนวนมาก มีมากกว่าโฟตอนพลังงานสูงจำนวนน้อย (ในขณะที่พลังงานรวมยังคงเท่าเดิม ) ^{[ 41 ]}ยกเว้นในกรณีที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวัง การกระเจิงจะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นสัมพัทธ์ที่เหมือนกันตลอดทั้งสเปกตรัม กล่าวคือ ค่าz ที่คำนวณได้ โดยทั่วไปจะเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น ยิ่งไปกว่านั้น การกระเจิงจากตัวกลางแบบสุ่ม มักเกิดขึ้นที่มุม หลายมุม และzเป็นฟังก์ชันของมุมการกระเจิง หากเกิดการกระเจิงหลายครั้ง หรืออนุภาคที่กระเจิงมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน โดยทั่วไปแล้วจะมีการบิดเบือนของเส้นสเปกตรัมด้วย^{[ 41 ]}

ในดาราศาสตร์ระหว่างดวงดาวสเปกตรัมที่มองเห็นได้อาจปรากฏเป็นสีแดงมากขึ้นเนื่องจากกระบวนการกระเจิงในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการแดงขึ้นระหว่างดวงดาว^{[ 41 ]} —ในทำนองเดียวกันการกระเจิงของเรย์ลีทำให้เกิด การแดงขึ้นของ บรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่เห็นในตอนพระอาทิตย์ขึ้นหรือตก และทำให้ท้องฟ้าส่วนที่เหลือมีสีน้ำเงิน ปรากฏการณ์นี้แตกต่างจากการเลื่อนไปทางแดงเนื่องจาก เส้น สเปกตรัมไม่ได้เลื่อนไปยังความยาวคลื่นอื่นในวัตถุที่แดงขึ้น และมีการหรี่แสง และการบิดเบือนเพิ่มเติมที่ ^{เกี่ยวข้อง}กับปรากฏการณ์นี้เนื่องจากโฟตอนกระเจิงเข้าและออกจากแนวสายตา [ ^{93 ]}

สิ่งที่ตรงข้ามกับการเลื่อนไปทางแดง (redshift) คือการเลื่อนไปทางน้ำเงิน (blueshift ) การเลื่อนไปทางน้ำเงินคือการลดลงของความยาวคลื่น (การเพิ่มขึ้นของพลังงาน ) พร้อมกับการเพิ่มขึ้นของความถี่ที่สอดคล้องกันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในแสงที่มองเห็นได้การเลื่อนนี้จะทำให้สีเลื่อนไปทางด้านสีน้ำเงินของสเปกตรัม

การเลื่อนความถี่ แบบดอปเปลอร์ (Doppler blueshift) เกิดจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเข้าหาผู้สังเกต คำนี้ใช้กับการลดลงของความยาวคลื่นและการเพิ่มขึ้นของความถี่ที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ แม้ว่าจะอยู่นอกสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ก็ตาม เฉพาะวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วสัมพัทธ์เข้าหาผู้สังเกตเท่านั้นที่จะสังเกตเห็นเป็นสีฟ้ามากขึ้นด้วยตาเปล่าแต่ความยาวคลื่นของโฟตอนหรืออนุภาคอื่น ๆ ที่สะท้อนหรือปล่อยออกมาจะสั้นลงในทิศทางการเคลื่อนที่^{[ 94 ]}

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์บลูชิฟต์ถูกนำมาใช้ในทางดาราศาสตร์เพื่อกำหนดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์:

• กาแล็กซีแอนโดรเมดากำลังเคลื่อนที่เข้าหากาแล็กซีทางช้างเผือก ของเราเอง ภายในกลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่นดังนั้นเมื่อสังเกตจากโลก แสงของมันจะเกิดการเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน^{[ 95 ]}
• องค์ประกอบของ ระบบ ดาวคู่จะเกิดการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้โลก
• เมื่อสังเกตดาราจักรเกลียว ด้านที่หมุนเข้าหาเราจะมีการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเล็กน้อยเมื่อเทียบกับด้านที่หมุนออกไปจากเรา (ดูความสัมพันธ์ของทัลลี-ฟิชเชอร์ )
• เป็นที่ทราบกันว่า บลาซาร์จะปล่อยเจ็ตสัมพัทธภาพมาทางเรา โดยปล่อยรังสีซินโครตรอนและเบร็มส์ตรัลลุงซึ่งปรากฏเป็นสีน้ำเงิน^{[ 96 ]}
• ดาวฤกษ์ใกล้เคียง เช่นดาวบาร์นาร์ดกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเรา ส่งผลให้เกิดการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเล็กน้อย
• การเลื่อนไปทางสีน้ำเงินแบบดอปเปลอร์ของวัตถุที่อยู่ไกลออกไปซึ่งมีค่า zสูงสามารถลบออกจากการเลื่อนไปทางแดงของจักรวาล ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก เพื่อกำหนดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ในจักรวาลที่กำลังขยายตัว^{[ 97 ]}

ต่างจาก การเลื่อนความถี่ไปทางสีน้ำเงินแบบดอปเปลอร์ สัมพัทธ์ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดเข้าหาผู้สังเกตการณ์และขึ้นอยู่กับมุมที่โฟตอนได้รับ การเลื่อนความถี่ไปทางสีน้ำเงินเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นค่าสัมบูรณ์และไม่ขึ้นอยู่กับมุมที่โฟตอนได้รับ:

โฟตอนที่เคลื่อนที่ออกจากวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงจะมีพลังงานน้อยลง การสูญเสียพลังงานนี้เรียกว่า "การเลื่อนไปทางแดง" เนื่องจากโฟตอนในสเปกตรัมที่มองเห็นได้จะปรากฏเป็นสีแดงมากขึ้น ในทำนองเดียวกัน โฟตอนที่ตกลงไปในสนามแรงโน้มถ่วงจะมีพลังงานมากขึ้นและแสดงการเลื่อนไปทางน้ำเงิน ... โปรดทราบว่าขนาดของผลกระทบการเลื่อนไปทางแดง (การเลื่อนไปทางน้ำเงิน) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับมุมที่ปล่อยออกมาหรือมุมที่รับของโฟตอน แต่ขึ้นอยู่กับว่าโฟตอนต้องเคลื่อนที่ออกจาก (ตกลงไปใน) บ่อศักย์ไปไกลแค่ไหนในแนวรัศมี^{[ 98 ] [ 99 ]}

เป็นผลตามธรรมชาติของการอนุรักษ์พลังงานและความสมดุลของมวล-พลังงานและได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี พ.ศ. 2492 ด้วยการทดลอง Pound–Rebkaการเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีส่วนทำให้เกิดความไม่สมมาตรของพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล (CMB) ผ่านปรากฏการณ์ Sachs–Wolfe : เมื่อบ่อแรงโน้มถ่วงวิวัฒนาการในขณะที่โฟตอนกำลังผ่าน ปริมาณการเลื่อนความถี่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงเมื่อเข้าใกล้จะแตกต่างจากปริมาณการเลื่อนความถี่ เนื่องจากแรงโน้มถ่วง เมื่อออกจากบริเวณนั้น^{[ 100 ]}

มีกาแล็กซีแอคทีฟที่อยู่ ไกลออกไป ซึ่งแสดงการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินในเส้นการปล่อย[O III] ของพวกมัน การเลื่อนไปทางสีน้ำเงินที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งพบในควาซาร์ เส้นแคบ PG 1543+489ซึ่งมีความเร็วสัมพัทธ์ −1150 กม./วินาที^{[ 97 ]}กาแล็กซีประเภทนี้เรียกว่า "กาแล็กซีสีน้ำเงินนอกกลุ่ม" ^{[ 97 ]}

ในจักรวาลสมมติที่กำลังเกิด การหดตัวแบบ บิ๊กครันช์ อย่างไม่หยุดยั้ง จะมีการสังเกตเห็นการเลื่อนไปทางสีน้ำเงินของจักรวาล โดยกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปจะเลื่อนไปทางสีน้ำเงินมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งตรงกันข้ามกับการเลื่อนไปทางสีแดงของจักรวาลที่สังเกตได้จริงในจักรวาลที่กำลังขยายตัว ในปัจจุบัน ^{[ 101 ]}

• ศักย์โน้มถ่วง
• สูตรแมททิก
• ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพ

• Odenwald, S. & Fienberg, RT. 1993; "การพิจารณาใหม่เกี่ยวกับการเลื่อนแดงของกาแล็กซี" ในSky & Telescopeกุมภาพันธ์ 2003; หน้า 31–35 (บทความนี้มีประโยชน์สำหรับการอ่านเพิ่มเติมเพื่อแยกแยะความแตกต่างระหว่างการเลื่อนแดงทั้ง 3 ประเภทและสาเหตุของมัน)
• Lineweaver, Charles H. และ Tamara M. Davis, " ความเข้าใจผิดเกี่ยวกับบิ๊กแบง ", Scientific American , มีนาคม 2005 (บทความนี้มีประโยชน์ในการอธิบายกลไกการเลื่อนแดงทางจักรวาลวิทยา รวมถึงการชี้แจงความเข้าใจผิดเกี่ยวกับฟิสิกส์ของการขยายตัวของอวกาศ)

• นุสบาวเมอร์, แฮร์รี่; ลิเดีย บีเอรี (2009) การค้นพบจักรวาลที่กำลังขยายตัว สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ไอเอสบีเอ็น 978-0-521-51484-2.
• บินนีย์, เจมส์ ; เมอร์ริเฟลด์, ไมเคิล (1998). ดาราศาสตร์กาแล็กซี . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน. ISBN 978-0-691-02565-0.
• Carroll, Bradley W. และ Ostlie, Dale A. (1996). บทนำสู่ฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่ . Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-54730-6.
• เฟย์นแมน, ริชาร์ด ; ไลตัน, โรเบิร์ต ; แซนด์ส, แมทธิว (1989). การบรรยายฟิสิกส์ของเฟย์นแมนเล่ม 1. แอดดิสัน-เวสลีย์. ISBN 978-0-201-51003-4.
• Grøn, เอิวินด์ ; แฮร์วิค, ซิกบยอร์น (2007) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ . นิวยอร์ก: สปริงเกอร์. ไอเอสบีเอ็น 978-0-387-69199-2.
• แฮร์ริสัน, เอ็ดเวิร์ด (2000). จักรวาลวิทยา: วิทยาศาสตร์แห่งจักรวาล (ฉบับที่ 2). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-66148-5.
• คุทเนอร์, มาร์ค (2003). ดาราศาสตร์: มุมมองเชิงฟิสิกส์ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-52927-3.
• มิสเนอร์, ชาร์ลส์; ธอร์น, คิป เอส. ; วีลเลอร์, จอห์น อาร์ชิบัลด์ (1973). แรงโน้มถ่วง . ซานฟรานซิสโก: ดับเบิลยูเอช ฟรีแมน. ISBN 978-0-7167-0344-0.
• Peebles, PJE (1993). หลักการของจักรวาลวิทยาเชิงฟิสิกส์ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน. ISBN 978-0-691-01933-8.
• เทย์เลอร์, เอ็ดวิน เอฟ.; วีลเลอร์, จอห์น อาร์ชิบัลด์ (1992). ฟิสิกส์กาลอวกาศ: บทนำสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (ฉบับที่ 2). ดับเบิลยูเอช ฟรีแมน. ISBN 978-0-7167-2327-1.
• ไวน์เบิร์ก, สตีเวน (1971). แรงโน้มถ่วงและจักรวาลวิทยา . จอห์น ไวลีย์. ISBN 978-0-471-92567-5.
• ดูเพิ่มเติมที่จักรวาลวิทยาเชิงฟิสิกส์ § ตำราเรียนสำหรับการประยุกต์ใช้การเลื่อนแดงทางจักรวาลวิทยาและแรงโน้มถ่วง

Wikimedia Commons มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับRedshift

ลองค้นหาคำว่า "redshift"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• บทเรียนจักรวาลวิทยาของเน็ด ไรท์
• บทความอ้างอิงจักรวาลเกี่ยวกับปรากฏการณ์เรดชิฟต์
• บทเรียนการเลื่อนแดงทางดาราศาสตร์ของไมค์ ลูซิอุค
• ภาพเคลื่อนไหว GIF ของการเลื่อนแดงทางจักรวาลวิทยาโดย เวย์น ฮู
• Merrifield, Michael; Hill, Richard (2009). "Z Redshift" . SIXTψ SYMBΦLS . Brady Haranสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม .