天体の赤方偏移について

質問

天体の発する光の赤方偏移はドップラー効果によるもの等の説明があります（wikipedia等）。実際にこれが赤方偏移である、との図解（カラーバー）で太陽光と比べてスペクトルの変位（線で位置を表示）が長波長側にシフトしていると説明しています。そこで、質問ですが、
１．太陽光とその天体の光のスペクトルを比べるのはなぜでしょうか。ドップラー効果ということなら、その天体が発した光のスペクトルでなければならない、ということではないでしょうか。受けた方の光は観測すればわかるので。
２．スペクトル解析やその屈折による分光では波長ごとの成分を分解しているわけですが、連続スペクトルではない（ピークが明瞭）ので対応関係がわかるのだろうと思います（なのでピークの対応関係がわかり波長がシフトしていることがわかる？）。光のスペクトルは連続的ではないのでしょうか。量子力学の説明になるのでしょうか。
３．プリズムの分光ではなく、光をスペクトル解析するときデータはどのように取得するのでしょうか。時系列データを取得してFFTにかけるというような常套手段が使えるのでしょうか。
よろしくお願いします。

回答No.3

masaban

＞天体の発する光の赤方偏移
（天体には青方偏移の事例がいくつかあるそうです。）

＞・・はドップラー効果による
（ドップラー効果以外にもスペクトル偏移の原因は存在するでしょう。たとえばインドの学者ラマンが海を見て見つけたラマン効果です。
ラマン効果を全てのスペクトルに及ぼす物質があるなら、スペクトルの偏移を起こす物質が宇宙に満ちていれば遠い星程偏移するでしょう。その時にはビッグバンの爆心地に我々がいるような錯覚の原因となるでしょう。たとえば地球は宇宙の銀座にはなく、辺鄙な砂漠のオアシスに位置します。でもビッグバンは宇宙の銀座にあったはずで、砂漠には起きたはずがないでしょう。今の天文学はビッグバンが地球のそばで起きたと馬鹿げたことを言っています。）

＞質問ですが、
＞１．太陽光とその天体の光のスペクトルを・・その天体が発した光のスペクトルでなければならない・・

　（質問者のおっしゃる通り、その天体が発した光をその天体の近所で観察し、また地球付近で観察し、その両者を比較するとき、はじめて正しい偏移量を調べたことになります。

　でもその天体の付近に測定器を持っていくことが我々にはできません。ですから正しい比較は不可能な望みです。
　次善の策、私の立場、私の主張から見ると最悪手なのですが、ドップラー支持者たちの次善の策は溶鉱炉をその天体の代用にする方法です。
　溶鉱炉は１０００℃から３０００℃くらいの範囲でしょうか、そのときの発光を観察できます。溶鉱炉に熱せられた元素は元素に特有の光を発します。
　だから３０００℃くらいまでなら、元素１３０種類くらいについてはそれぞれの光色輝線を正確に観察できドップラーも正確に測れるかもしれません。
　その範囲を外れたり、元素の種類が分からない時、もともとドップラー効果は正確に測れません。
　もし黒体という物質があったとして、それに１０００℃、２０００℃・・・数億℃と加熱した時、どんなスペクトル分布の発光をするか、理想状態を考え、それに近い分布を天体がしていると仮想して論理を重ねた仮定だらけの観測と論理です。
　でも黒体はこの世に存在しません。数億℃は人工では実現できません。
　たかだか１０００℃程度でも理想放射の光色は空洞放射からも、黒体加熱からも再現が厳密な実験であっても、ほぼできません。
　天文学は信じるに足らない論理、論理というより嘘つき大会というべきでしょう。頭の良い詐欺師に敵う人間はいないのでお手上げです。
　偉い人はうそをつかない、偉い人は間違えないという信じるに足りない色眼鏡を根拠にするしかない我々一般人には嘘もホントとも区別がつけられません。）

＞２．・・連続スペクトルではない（ピークが明瞭）ので対応関係がわかるのだろう
（質問者がおっしゃるように連続ではなく離散なのでしょう。ただし分解能の高度な分光器で弱い光を分光してやらなければならないのでしょう。）

＞・・ピークの対応関係がわかり波長がシフトしていることがわかる？
（質問者がおっしゃるように離散スペクトルのピークから偏移量が分かるでしょう。
たとえば天体の連続スペクトルから黒体の連続スペクトルに比較したら偏移量は分からないでしょう。）

＞光のスペクトルは連続的ではないのでしょうか。量子力学の説明になるのでしょうか。

　（分光器の分解能が低いと峰を分離できず連続に見えるのです。分光器の分解能は十分か否か、光学の専門家が正確に測るらしいのですが、果たしてそうなのか否かは情報がありません。私は確認したことが無く騙される余地があります。
私は量子力学の講義で、電子の元素内のポテンシャル準位間の遷移によってポテンシャル準位のエネルギー差がちょうどｈνの振動数νの光波になるとならいました。講義は全ての光波は電子の遷移が原因だと習いました。）

＞３．プリズムの分光ではなく、光をスペクトル解析するときデータはどのように取得するのでしょうか。

　（分光をプリズムで行うのは小学校、中学校のレベルらしい。分光は他の方法で行います。たとえばガラスにダイアモンドの刻線で平行線の不透明線を１ｍｍあたりに１０００本とか数１０００本引いた回折格子という道具です。大学の１，２年の実験基礎講座ではそういうものが使われました。回折格子は身近な例では虹色が見えるCDやDVDの表面です。明るい分光が見えるのです。さらに高度なのは、？エタロン、ダイクロイックミラー。最近では反射鏡面に薄膜を蒸着して構造色とやらいう原理があるらしい。）

＞時系列データを取得してFFTにかけるというような常套手段が使えるのでしょうか。

　（FFTは電気信号用でも高額な装置です。常套手段で光に使うことは少ないのではないでしょうか。https://www.hamamatsu.com/jp/ja/technology/innovation/spectroscopic/index.html
に浜松ホトニクスの光FFTがあるようです。
たぶんエタロンにゆっくり入射角を変えながら、照度信号を時系列サンプルして、FFTをかけるのかな?、分解能は高くても、振動数における絶対精度は低い精度しか得られないのではないかなと思います。ドップラー効果を天体に観察するとき、振動数分解能だけでなく、絶対精度が振動数にも必要だと思うので、使わないだろうなと思います。それは天文台に質問すればよいのかな）

参考URL：

https://www.hamamatsu.com/jp/ja/technology/innovation/spectroscopic/index.html

回答No.2

雪中庵（@psytex）

恒星の核融合において水素やヘリウムなどの発する
光は、固有の波長を持っており、スペクトル輝線を
示します。
また、その手前に星間ガスがあれば同じくその構成
分子により異なる固有の波長を吸収し、スペクトル
吸収線（暗線）を生じます。
本来同じ波長であるべきものが異なるので、その
原因としてドップラー効果だと考えられたのです。

お礼

回答ありがとうございます。
光の波長が”ドップラーシフトを受けなければ、こうでなければならない”ということをゆるぎ無く理解することの方が、ドップラーシフトを理解するより難しいという気がします。ドップラーシフトは救急車の通過で誰もが実感できることだからです。天体の赤方偏移は子供の図鑑にも載ってそうなことなのですが、なるほどなるほどと理解できるものなのかなと思うのですが。

回答No.1

lupin__X

太陽を含め光る恒星は、連続スペクトルの所々に吸収されて暗線と
呼ばれる部分があり、フラウンホーファー線といいます。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%A9%E3%82%A6%E3%83%B3%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%95%E3%82%A1%E3%83%BC%E7%B7%9A

暗線の部分は、様々な物質による吸収で、赤方偏移が分かったのは、
暗線の吸収波長がずれるからです。
赤い光が届いたとき、元々赤だったのか、黄色がずれたのかわからない
はずですが、暗線の吸収は、物質に固有なのでわかるのです。
見える光ではなく見えない暗線のドップラー効果が観測されます。
つまり、遠くの恒星の周りの物質が光を発した近くの波長を教えて
くれるのです。

なお、分光の方法は、プリズムによる方法以外に、回折格子による方法が
あり、装置ではよく使われます。