赤方偏移と青方偏移とは、星や銀河などの宇宙空間にある物体が私たちに近づいたり遠ざかったりすることによって、光の波長が短くなったり長くなったりする様子を表したものです。
可視光は、虹を見たことがある人ならわかるように、色のスペクトルです。 物体が遠ざかると、光の波長が長くなり、スペクトルの赤側にシフトしていきます。
このことをもっとわかりやすく考えるために、欧州宇宙機関は、道路で車が駆け抜けていくときのパトカーのサイレンを想像してみてはどうかと提案しています。
「誰もが、近づいてくるパトカーのサイレンの音が大きくなり、通り過ぎて遠ざかっていくときに音が急激に小さくなるのを聞いたことがあるでしょう。
音と光
この音の効果は、1800年代にクリスチャン・アンドレアス・ドップラーによって初めて報告され、ドップラー効果と呼ばれています。 光も波長で発せられているので、物体の相対的な位置関係によって波長が伸びたり縮んだりするということです。
アメリカの天文学者エドウィン・ハッブル（ハッブル宇宙望遠鏡の名前の由来）は、赤方偏移現象を世界で初めて記述し、それを宇宙の膨張と結びつけました。
「この現象は、銀河のスペクトルの赤方偏移として観測された」とNASAは書いています。 “
「この現象は、銀河のスペクトルの赤方偏移として観測されました。
銀河が地球から遠ざかるのは、宇宙空間そのものが膨張しているからです。 アンドロメダ銀河と天の川銀河が衝突するなど、銀河自体の動きもありますが、宇宙が大きくなるにつれ、全体的に赤方偏移という現象が起きています。
赤方偏移、青方偏移という言葉は、電波、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線などの電磁スペクトルのあらゆる部分に当てはまります。 つまり、電波が紫外にシフトすればブルーシフト、高い周波数にシフトすればブルーシフトと言われます。 ガンマ線が電波にシフトするということは、より低い周波数にシフトする、つまり赤方偏移ということになります。
天体の赤方偏移は、スペクトル中の吸収線や輝線を調べて測定します。 この線は、元素ごとに固有のもので、常に同じ間隔を持っています。 宇宙にある物体が我々の方に向かったり遠ざかったりすると、その線は、物体が動いていない場合（我々との相対的な関係）とは異なる波長で検出されます。
赤方偏移とは、光の波長の変化を、光源が動いていないときの光の波長（静止波長）で割ったものです。
3種類の赤方偏移
宇宙では、宇宙膨張による赤方偏移、銀河の相対的な移動による赤方偏移、そして銀河内の大量の物質によって光がシフトする「重力赤方偏移」の少なくとも3種類の赤方偏移が発生しています。
後者の赤方偏移は、3つの中では最も微妙なものですが、2011年には宇宙規模の赤方偏移を確認することができました。 スローンデジタルスカイサーベイと呼ばれる大規模なカタログを統計的に分析した結果、重力赤方偏移は、アインシュタインの一般相対性理論と全く同じように起こっていることがわかりました。
コペンハーゲン大学の宇宙物理学者であるRadek Wojtak氏は当時、「我々は銀河団の質量を独立して測定しているので、一般相対性理論に基づく重力赤方偏移の期待値を計算することができます」と述べています。 “
重力赤方偏移が最初に検出されたのは1959年で、地球上の研究所から発せられたガンマ線に発生していることが検出されました。
赤方偏移の主な用途
赤方偏移は、天文学者が遠くの天体の距離を比較するのに役立ちます。 2011年、科学者たちは、これまでに見られた最も遠い天体を見たと発表しました。それは、星の爆発で発生したガンマ線バースト「GRB 090429B」でした。 当時、この爆発は131億4,000万年前に起こったと推定されていました。 それに比べて、ビッグバンは138億年前に起こったのです。
既知の最も遠い銀河はGN-z11です。 2016年、ハッブル宇宙望遠鏡は、ビッグバンからわずか数億年後に存在していたことを突き止めました。 科学者たちはGN-z11の赤方偏移を測定し、その光が宇宙の膨張によってどれだけ影響を受けたかを調べました。 GN-z11の赤方偏移は11.1で、次に高いEGSY8p7の赤方偏移8.68よりもはるかに高かったのです。
科学者は赤方偏移を利用して、宇宙がどのように大きなスケールで構成されているかを測定することができます。
科学者は赤方偏移を利用して、宇宙がどのように大規模に構造化されているかを測定することができます。その例として、ヘラクレス・コロナ・ボレアリス万里の長城があります。 スローンデジタルスカイサーベイは、現在進行中の赤方偏移プロジェクトで、数百万個の天体の赤方偏移を測定しようとしている。
新しい研究分野として、重力波から赤方偏移の情報を抽出する方法があります。重力波とは、巨大な物体が加速されたり、乱されたりしたときに起こる時空の乱れのことです。 アインシュタインは1916年に初めて重力波の存在を示唆し、2016年にはレーザー干渉計重力波観測装置（LIGO）が初めて重力波を直接検出しました）。 重力波は、その赤方偏移した質量を示す信号を運んでいるため、そこから赤方偏移を抽出するには、ある程度の計算と推定が必要であると、査読付き学術誌「Physical Review X」に掲載された2014年の論文は述べている。
編集部注：本記事は2019年8月7日に更新され、訂正がありました。 紫外部にシフトした電波は、赤方偏移ではなく青方偏移です。
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