赤方偏移とドップラー効果

波動力学で観測される現象に、ドップラー効果と赤方偏移がある。どちらの現象も、光源と観測者の間の相対的な運動によって起こる。これらの現象の応用は計り知れない。天文学、天体物理学、物理学、工学、そして交通管制の分野でも、これらの現象が利用されています。赤方偏移とドップラー効果を正しく理解することは、それらに基づく分野にとって非常に重要なことである。今回は、ドップラー効果と赤方偏移、その応用、赤方偏移とドップラー効果の類似性、最後にドップラー効果と赤方偏移の違いについて説明します。

ドップラー効果

ドップラー効果とは、波動に関連する現象である。ドップラー効果を説明するためには、いくつかの用語の定義が必要である。ソースとは、波や信号が発生する場所のことです。観測者は、信号や波を受信する場所である。参照系は、現象全体を観測する媒質に対して相対的に動かない座標系である。波速度は、音源に対する媒質内の波の速度である。

ケース1

光源は基準系に相対したまま、観測者は光源の方向に相対速度Vで移動する。このとき、波の相対速度はC+V、波の波長はV/f0となります。この系にV=fλを適用するとf=(C+V)f0/Cとなり、観測者が音源から離れると、波の相対速度はC-Vとなります。

ケース2

観測者は媒質に対して相対的に留まり、光源は観測者の方向に相対速度Uで移動する音源は、音源に対して周波数f0の波を放射している。媒質の波速はCで、相対的な波速はCのまま、波の波長はf0/C-Uとなり、V = fλを適用するとf = C f0/(C-U)が得られます。

ケース3

光源と観測者は共に媒体に対して速度U、Vで移動する。ケース1、2の計算を用いると、観測周波数f＝（C＋V）f0/（C-U）となる。

レッドシフト

赤方偏移は、電磁波で観測される波動現象の一つです。周波数がわかっているスペクトル線では、観測されたスペクトルを標準スペクトルと比較することができる。恒星状天体の場合、天体の相対速度を計算するのに非常に有効な方法です。赤方偏移とは、スペクトル線が電磁スペクトルの赤い端の方にわずかにシフトする現象のことです。これは、信号源が観測者から遠ざかることで発生します。赤方偏移の対極にあるのが青方偏移で、観測者の方を向いている天体によって起こります。赤方偏移では、波長差を利用して相対速度を測定する。