赤方偏移（レッドシフト）とは—ドップラー効果でわかる宇宙の距離と速度

赤方偏移（レッドシフト）は、天文学者が宇宙の中で非常に遠くにある物体の距離や速度を調べるときに使う重要な手法です。簡単に言えば、光（または音）の波長や周波数が観測者の視点でずれる現象を指します。赤方偏移は、ドップラー効果の一例と考えることができますが、宇宙規模では「空間の膨張」による影響も大きいため、単純なドップラー効果とは区別して扱われることがあります。

ドップラー効果の身近な例

ドップラー効果を体験する一番簡単な方法は、動いている電車の音を聞くことです。電車が人に向かって移動するとき、電車が人に向かってくるときの音は、周波数が少し高くなって聞こえます（音が高く聞こえる）。電車が通り過ぎて遠ざかると、音は引き伸ばされて低く聞こえます。同じ原理が光にも適用されます：光を出す物体が私たちに近づくと波長が短くなって青寄りに見え（ブルーシフトと言います）、遠ざかると波長が長くなって赤寄りに見えます。

天文学での使い方 — 分光とスペクトル線

天文学者が光がどのくらいずれているかを知ることができるのは、水素や酸素のような化学元素には、他の元素にはない独特の光の指紋（吸収線や放射線）があるからです。これを手掛かりに、天文学者は分光法を使って銀河や星などからの光を詳しく分析します。得られたスペクトルで、実験室や理論で知られている位置に比べてスペクトルの線がどれだけずれているかを測ることで、物体が私たちに対して近づいているのか遠ざかっているのか、そしてどのくらいの速度かが推定できます。速度が速ければ速いほど、スペクトルの線は通常の位置からより大きくずれます。

赤方偏移の定量化と計算

赤方偏移は通常、次のように定義される無次元量 z で表されます：
z = (観測された波長 − 放出された波長) / 放出された波長
（つまり z = (λ_obs − λ_emit) / λ_emit）。

速度が光速に比べて十分に小さい（低赤方偏移）の場合、見かけの後退速度 v はおおよそ v ≈ c z（c は光速）と近似できます。しかし高い赤方偏移では特殊相対性理論や一般相対性理論の効果を考慮する必要があり、正確には 1+z = sqrt((1+v/c)/(1−v/c))（相対論的ドップラー）や、宇宙膨張による赤方偏移の式を使います。

宇宙論的赤方偏移とハッブルの法則

遠方の銀河に見られる赤方偏移の多くは、銀河自体が空間を「飛んでいる」ためというより、宇宙空間そのものが膨張しているために光の波長が引き伸ばされた結果です。エドウィン・ハッブルが示した関係（ハッブルの法則）では、遠方の銀河ほど後退速度が大きくなり、おおむね v = H0 d（H0 はハッブル定数、d は距離）で表されます。したがって、観測された赤方偏移から距離を推定することができますが、実際の距離の算出は宇宙の膨張履歴（宇宙論パラメータ）に依存します。

注意点と応用

• 低赤方偏移では銀河の「固有運動（peculiar velocity）」が結果に影響し、単純な距離推定が不正確になることがあります。
• 重力による赤方偏移（重力赤方偏移）も存在し、強い重力場から出た光は波長が伸びることがあります。
• 非常に高い赤方偏移（例えば z が数以上、あるいは z > 10 のような極めて遠方の天体）を観測することで、宇宙の初期状態や銀河形成史、宇宙の膨張率の変化を調べられます。
• 実用面では、赤方偏移は銀河やクエーサーの距離測定、宇宙論パラメータの推定（H0、Ωm、ΩΛ など）、宇宙の年齢や大規模構造の研究に広く使われています。

まとめると、赤方偏移は光の波長のずれを通じて天体の運動や距離、さらには宇宙そのものの性質を調べる強力な道具です。観測技術（高分解能分光など）の進歩により、ますます遠方かつ初期宇宙の天体についての情報が得られるようになっています。

質問と回答

Q: 赤方偏移とは何ですか?

Q: ドップラー効果を体験するにはどうしたらいいのでしょうか?

Q: 天文学者はどのようにして赤方偏移を測定するのですか?

Q: ブルーシフトの原因は何ですか?

Q: 天文学者が分光に使用する元素は何ですか?

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