ドップラー効果について学ぶ

天文学者はドップラー効果を使用して、観測者に対して物体が移動する際の光波の周波数を測定します。手前に移動するにつれて周波数が短くなり、オブジェクトは青方偏移を示します。天体が遠ざかる場合、赤方偏移を示します。これは、星の光のスペクトルに黒い線 (吸収線と呼ばれる) のシフトとして現れます)。キャロリン・コリンズ・ピーターセン

天文学者は、それらを理解するために遠くの物体からの光を研究します。光は毎秒 299,000 キロメートルの速さで空間を移動し、その経路は重力によって偏向されるだけでなく、宇宙の物質の雲によって吸収および散乱される可能性があります。天文学者は、光の多くの特性を利用して、惑星やその衛星から宇宙の最も遠い物体まで、あらゆるものを研究しています。

ドップラー効果を掘り下げる

彼らが使用するツールの 1 つは、ドップラー効果です。これは、物体が空間を移動するときに放射される放射の周波数または波長のシフトです。この名前は、1842 年に最初に提案したオーストリアの物理学者クリスチャン ドップラーにちなんで付けられました。

ドップラー効果はどのように機能しますか?放射線源の場合は、 星 、地球上の天文学者に向かって移動している場合（たとえば）、その放射の波長は短くなります（周波数が高いため、エネルギーが高くなります）。一方、物体が観測者から遠ざかる場合、波長は長くなります (周波数が低くなり、エネルギーが低くなります)。電車の汽笛や警察のサイレンがあなたのそばを通り過ぎるときに聞こえ、あなたのそばを通り過ぎて遠ざかるにつれてピッチが変化するのを聞いたとき、おそらくあなたはこの効果のバージョンを経験したことがあるでしょう.

ドップラー効果は、「レーダー銃」が既知の波長の光を放射する警察レーダーなどの技術の背後にあります。次に、そのレーダーの「光」が移動中の車に跳ね返り、計器に戻ります。結果として生じる波長のシフトは、車両の速度を計算するために使用されます。 ( 注: 実際には、移動中の車が最初に観察者として機能してシフトを経験し、次に移動光源としてオフィスに光を送り返し、それによって波長が 2 回シフトするため、実際には二重シフトです。 )

赤方偏移

オブジェクトが観測者から遠ざかる (つまり、遠ざかる) 場合、放射される放射のピークは、ソース オブジェクトが静止している場合よりも離れています。その結果、光の波長が長くなります。天文学者は、スペクトルの「赤」端にシフトしたと言っています。

同じ効果が、次のような電磁スペクトルのすべての帯域に適用されます。 無線 、 X線 また ガンマ線 .ただし、光学測定が最も一般的であり、「赤方偏移」という用語の語源です。ソースが観測者から離れる速度が速ければ速いほど、 赤方偏移 .エネルギーの観点からは、より長い波長はより低いエネルギー放射に対応します。

ブルーシフト

逆に、放射線源が観察者に近づいている場合、光の波長は互いに接近して現れ、光の波長を効果的に短くします。 (繰り返しますが、波長が短いということは、周波数が高く、したがってエネルギーが高いことを意味します。) 分光学的には、輝線は光スペクトルの青色側にシフトして見えるため、この名前が付けられました。 青方偏移 .

赤方偏移と同様に、この効果は電磁スペクトルの他の帯域にも適用できますが、天文学の一部の分野ではこれが当てはまらないことは確かですが、この効果は光学光を扱うときに最も頻繁に議論されます。

宇宙の膨張とドップラーシフト

ドップラー シフトの使用は、天文学においていくつかの重要な発見をもたらしました。 1900 年代初頭には、 宇宙 静的でした。実はこれがきっかけでアルバート・アインシュタイン彼の計算によって予測された膨張 (または収縮) を「打ち消す」ために、彼の有名な場の方程式に宇宙定数を追加すること。具体的には、かつては、 天の川 静的な宇宙の境界を表しています。

それで、 エドウィン・ハッブル 何十年もの間天文学を悩ませてきたいわゆる「渦巻星雲」が いいえ まったく星雲。それらは実際には別の銀河でした。それは驚くべき発見であり、天文学者たちに、 宇宙 彼らが知っていたよりもはるかに大きいです。

ハッブルはその後、ドップラー シフトを測定し、特にこれらの銀河の赤方偏移を見つけました。彼は、銀河が遠くにあるほど、より速く後退することを発見しました。これが、今では有名になった ハッブルの法則 、これは、オブジェクトの距離が後退の速度に比例することを示しています。

この啓示により、アインシュタインは次のように書きました。 彼の 場の方程式に宇宙定数を追加したことは、彼のキャリアの中で最大の失敗でした。しかし、興味深いことに、一部の研究者は現在、定数を配置しています。 戻る の中へ 一般相対論 .

ハッブルの法則は、過去数十年にわたる研究が発見して以来、ある時点までしか真実ではないことが判明した.遠い銀河予想よりも急速に後退しています。これは、宇宙の膨張が加速していることを意味します。その理由は謎であり、科学者はこの加速の原動力と呼んでいます 暗黒エネルギー .彼らは、アインシュタイン場の方程式でそれを宇宙定数として説明しています (ただし、アインシュタインの定式化とは異なる形式です)。

天文学におけるその他の用途

宇宙の膨張を測定するだけでなく、ドップラー効果を使用して、より身近な物体の動きをモデル化できます。つまり、のダイナミクス 天の川銀河 .

星までの距離とその赤方偏移または青方偏移を測定することにより、天文学者は私たちの銀河の動きをマッピングし、私たちの銀河が宇宙全体から観察者にどのように見えるかを把握することができます.

ドップラー効果により、科学者は変光星の脈動や、星から発せられる相対論的ジェット気流内を信じられないほどの速度で移動する粒子の動きを測定することもできます。 超大質量ブラックホール .

によって編集および更新されましたキャロリン・コリンズ・ピーターセン。