Punasiirtymä on kohteen liikkeen aiheuttama muutos sähkömagneettisen aallon taajuudessa. Havaitsijasta poispäin lähtevien esineiden valon valoaalto siirtyy kohti spektrin punaista osaa. Punasiirtymää havaitaan yleisesti tähtitieteessä, erityisesti havainnoitaessa hyvin kaukana olevia kohteita. Vaikutus ei rajoitu näkyvällä alueella olevaan sähkömagneettiseen säteilyyn, vaikka termi tarttuikin, koska jotkut taantuvat tähtitieteelliset esineet näyttivät punaisilta.
Punasiirtymä on Doppler-ilmiön tulos. Doppler-ilmiö koskee sekä ääniaaltoja että sähkömagneettisia aaltoja, ja ihmiset kokevat sen usein päivittäin. Lähestyvän junan äänitorvi kuulostaa korkeammalta kuin junan poistuessa, vaikka itse äänitorvi tuottaakin tasaisen äänen. Tämä johtuu siitä, että ääni kulkee tasaisella nopeudella tietyssä väliaineessa – ääniaallon taajuus muuttuu junan liikkeen mukaan. Samanlainen vaikutus tapahtuu valolla, jolloin avaruudessa poistuvasta lähteestä saadaan matalataajuinen valo.
Näkyvän valon spektrin sisällä ihmiset havaitsevat matalataajuiset valoaallot punaisiksi. Korkeataajuiset valoaallot nähdään sinisinä. Siksi punasiirtymä johtuu valosta, jonka lähde liikkuu poispäin havainnoijasta. Esimerkiksi galaksi, joka liikkuu poispäin Maasta suurella nopeudella, voi näyttää punaiselta. Vastaavasti lähestyvä galaksi voi näyttää siniseltä, jos sen nopeus on tietyllä alueella.
Vaikka termi punasiirtymä tarkoittaa värin muutosta, Doppler-ilmiö koskee koko sähkömagneettista spektriä. Kaikki säteily, josta näkyvä valo on yhtä tyyppiä, siirtyy säteilylähteen suhteellisen nopeuden perusteella. Riittävällä nopeudella poistuva tähtitieteellinen kohde voi “punasiirtymän” pois koko näkyvästä spektristä – jopa punaisen ohi. Tuloksena oleva tarkkailijan vastaanottama säteily olisi paljaalla silmällä näkymätöntä infrapunasäteilyn alueella. Näin ollen tähtitieteilijät käyttävät termiä punasiirtymä osoittamaan säteilyn siirtymistä kohti matalampia taajuuksia.
1920-luvulla amerikkalainen tähtitieteilijä Edwin Hubble ja muut havaitsivat, että useimmat galaksit näyttivät olevan punasiirtymiä, ja punasiirtymän määrä oli verrannollinen niiden etäisyyksiin Maasta. Mitä kauempana galaksit olivat, sitä nopeammin ne näyttivät siirtyvän pois Maasta. Tätä suuntausta kutsutaan Hubblen laiksi, ja se tarjosi osan ensimmäisistä todisteista, jotka tukevat laajenevaa universumimallia, joka sai alkunsa alkuräjähdyksestä. Räjähdyksessä vaihtelevanopeuksiset hiukkaset lisäävät etäisyyksiään kaikista muista hiukkasista. Sama pätee “räjähtävässä” maailmankaikkeudessa – kaikki galaksit näyttäisivät siirtyvän poispäin mistä tahansa tarkkailijasta.