赤方偏移

赤方偏移の概要

赤方偏移（せきほうへんい、英: redshift）とは、天文学において観測される現象で、遠く離れた天体から到達する電磁波の波長が伸びることを指します。この現象はドップラー効果に起因しており、遠ざかる天体の光は可視光のスペクトルの中で赤色寄りにシフトします。赤方偏移は、天体のスペクトルから波長のずれを測定し、フラウンホーファー線を観察することで具体的に検証できます。

赤方偏移の量は、以下の関係式により定義されます。

$$ z = \frac{\Delta \lambda}{\lambda} $$

ここで、$\Delta \lambda$は波長のずれ、$\lambda$は元の波長です。赤方偏移の観測はほぼすべての銀河で確認されており、宇宙が膨張している証拠と考えられています。

光のドップラー効果

この現象は、音波と同様に、ドップラー効果に基づいています。たとえば、遠ざかる音源の音は低く、近づく音源の音は高く聞こえるのと同じく、遠ざかる光源からの光も赤方偏移を引き起こします。たとえば、地球から遠ざかる恒星の光を観測すると、そのスペクトルに赤方偏移が見られます。静止した状態で波長$\lambda$の光が観測者に向かって速度$v$で移動するとき、観測される波長$\lambda'$は次のように表されます。

$$ \lambda' = \lambda \sqrt{\frac{c - v}{c + v}} $$

ここで、$c$は光速であり、$|v| < c$が成り立ちます。

宇宙論的赤方偏移

アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルは、遠方の銀河が持つ赤方偏移の大きさを探求しました。彼は、遠くの銀河ほど赤方偏移が大きいことを発見しました（これをハッブルの法則と呼びます）。この現象は、宇宙が膨張し続けていることと関連しています。例えば、現在観測可能な最も高い赤方偏移（$z=10.957$）を持つ天体はGN-z11という銀河です。

加えて、遠くの天体からの光が到達する間に、宇宙空間自体が拡大することにより、光の波長が伸びることが赤方偏移の発生原因として理解されています。この膨張は、ビッグバンと呼ばれる宇宙の初期段階と直接的に関連付けられています。

また宇宙背景放射も赤方偏移の代表的な例です。この放射は宇宙誕生時に形成されたプラズマが放ったものであり、宇宙の急激な膨張により波長が伸び、現在のマイクロ波として観測されます。ここでの赤方偏移は$z=1089$で、約138.12億光年の距離に相当します。

重力赤方偏移

重力赤方偏移は、重力の影響を受けて波長が伸びる現象です。一般相対性理論に基づくこの現象では、重力場の強さによって光の波長が変化します。特に、強い重力を持つ天体の近くを通過する光はエネルギーを失い、長い波長に変わります。

シュヴァルツシルト解においては、次の式が利用されます。

$$ \Delta \tau = \sqrt{1 - \frac{2GM}{c^2 r}} \Delta t $$

ここで$\Delta \tau$は距離$r$の地点での時間の流れ、$\Delta t$は無限遠での時間の流れを示します。重力場の影響で、距離$r$における時間の経過が遅れることを示しています。光の波長と振動数、光速との関係から、重力赤方偏移が発生します。1984年には、宇宙科学研究所のX線観測衛星「てんま」が中性子星の周りの強い重力による赤方偏移を初めて捉えました。

赤方偏移がテーマの著作

赤方偏移は、様々な作品に影響を与えてきました。たとえば、フレッド・セイバーヘーゲンの『バーサーカー』シリーズや、山本弘の『時の果てのフェブラリー ─赤方偏移世界─』、小松左京の『青い宇宙の冒険』などが挙げられます。これらの作品は、宇宙の神秘や未来に対する想像力を広げるものとなっています。

関連項目

• - 青方偏移
• - エドウィン・ハッブル

赤方偏移は宇宙の謎を解明するための重要な手がかりであり、今後の研究に期待が寄せられています。

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