天体分光学入門：分光法で探る元素組成・温度・運動

天体分光学の基礎をわかりやすく解説—分光法で元素組成・温度・密度・ドップラー運動まで読み解く入門ガイド。

天体分光学とは、星や惑星、星雲などの天体がどのような元素でできているかを、分光法を用いて解明する学問です。また、ドップラー効果を利用して、天体がどのように動いているかを調べることもできます。

天文学では、星などの高温の天体から放射される可視光を含む電磁放射の全スペクトルを研究するために、分光法やスペクトルの研究が行われています。スペクトロスコピーは、遠くにある星や銀河の性質を調べるのにも使われます。化学組成、温度、密度、質量、距離、光度、ドップラー効果を利用した相対運動などを調べることができる。

分光学で見る「線」と「連続光」

天体のスペクトルは大きく分けて、連続光とスペクトル線（吸収線・放出線）から成ります。熱い黒体に由来する連続光の形（エネルギー分布）からはおおよその温度が分かります。一方、特定の波長に現れる鋭い線は、原子や分子ごとに固有の波長を持ち、どの元素が存在するかを直接に示します。

• 吸収線：恒星のような高温体の光が外側の冷たいガスを通るときに現れます。各元素が光を吸収して作られるため、元素同定に便利です。
• 放出線：星雲や活動銀河のように低密度で励起されたガスが自ら光を放つときに見られます。特に「禁制線」と呼ばれる緩和過程は低密度環境の診断に有効です。

分光から分かる物理量（代表例）

• 元素組成（化学組成）：各元素ごとの線の位置と強度から、存在比（例えば鉄/水素比など）を求められます。線強度の較正には放射輸送や局所熱力学平衡（LTE）の仮定が関係します。
• 温度：連続スペクトルの形（色温度）や、同一元素の異なる励起状態に対応する線の強度比（ボルツマン分布）から推定します。イオン化度を扱う際はサッハ方程式も用いられます。
• 密度：特定の二重線比（例：[S II] 6716/6731）など、密度に敏感な線比から電子密度を推定できます。
• 運動（速度）：線の波長シフトから視線速度（ラジアル速度）を求めます。銀河の赤方偏移や恒星の公転速度、惑星系の検出に不可欠です。
• 回転・乱流・温度による幅（線幅）：線の幅は回転や熱幅、乱流、圧力（自然）幅など複数要因の混合で決まり、それを分解して内部運動や温度を推定します。
• 質量・光度・距離：スペクトル型やスペクトル線から恒星の物理量（半径や質量推定）を行い、標準光源として距離推定に結びつける手法もあります。銀河では赤方偏移と運動量から質量や距離推定が行われます。

観測手法と装置の基礎

観測には分光器（プリズム、回折格子、エシェル分光器など）と検出器（現在は主にCCD）が用いられます。重要な概念に解像度（分解能）R = λ/Δλがあり、高分解能ほど細かな線構造や小さな速度シフトを検出できます。その他の実務的ポイント：

• 波長校正：比較光源（望遠鏡用の波長ランプ）や空の大気の吸収線を使って波長を正確に決めます。
• フラックス校正：標準星観測で観測系の感度を補正し、スペクトルの絶対的な明るさを得ます。
• 大気の影響補正（テリウム補正）：地球大気による吸収・散乱を除去する処理が必要です。
• データ処理：スペクトル抽出、背景差引き、平坦化（フラットフィールド）、散乱光補正、線のフィッティングなどを経て物理量を導出します。

応用例と最近の話題

• 恒星：スペクトル型分類、星の年齢や金属量の測定、連星系の軌道運動から質量計測。
• 星雲・散光星雲：放出線で温度・密度を測定し、元素存在比（例：酸素、窒素）から星間物質の化学進化を探る。
• 銀河・宇宙論：銀河のスペクトルから赤方偏移を取り、宇宙の膨張や銀河の形成史を研究。
• 系外惑星：透過分光や直接分光で大気の成分（例えば水蒸気やナトリウム）を検出する研究が急速に進んでいます。

まとめと学び方のヒント

天体分光学は、単に「どの元素があるか」を知るだけでなく、温度・密度・運動など多くの物理量を同時に読み取れる強力な手段です。実践的には観測装置やデータ処理の習熟が重要で、入門書やデータ解析のチュートリアル、公開スペクトル（アーカイブ）を使って実際にスペクトルを扱ってみることが理解の近道です。

星の化学的性質

ニュートンはプリズムを使って白い光を色のスペクトルに分け、フラウンホーファーは高品質のプリズムを使って原因不明の暗い線を見ることができました。

1850年代になって、グスタフ・キルヒェフとロバート・ブンゼンが暗線の説明をしたのである。高温の固体は連続したスペクトルの光を発し、高温の気体は特定の波長の光を発する。しかし、高温の固体が低温のガスに囲まれていると、ガスの輝線に対応する暗線を含むほぼ連続したスペクトルを示す。太陽の吸収線と既知のガスの輝線のスペクトルを比較することで、星の化学組成を知ることができる。

吸収線


エミッションライン


連続スペクトル

質問と回答

Q:天文分光とは何ですか?

Q:分光学は天文学で何に使えるのですか?

Q: ドップラーシフトとは何ですか?

Q: 遠くの天体の性質を調べるのに、分光法はどのように使われるのですか?

Q:分光と電磁波の関係は?

Q: 天体分光の重要性は何ですか?

Q: ドップラー効果測定は、どのように天文分光に利用されるのですか?

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