ドップラー効果とは？救急車の音が変わる理由と星の動きを知る仕組み

救急車が近づいてきたときは高く響いていたサイレンが、通り過ぎると低く聞こえる。そんな経験はありませんか。この変化を説明するのがドップラー効果です。

じつは、同じ考え方は遠い星の動きを調べる天文学にも登場します。地上では耳で感じる変化が、宇宙では光に刻まれた手がかりになるのです。まずは難しい公式を使わず、波の届き方から見ていきましょう。

ドップラー効果とは？わかりやすくいうと「波の届く間隔の変化」

ドップラー効果とは、波を出すものと観測する人の運動によって、受け取る波の周波数が変わる現象です。周波数とは、1秒間に振動する回数のこと。音では、この回数が多いほど高い音、少ないほど低い音として聞こえます。

一定の音を出す物体がこちらに近づくと、波が次々に短い間隔で届きます。反対に遠ざかると、届く間隔が長くなります。音源が出す音そのものを変えなくても、受け取る側では高さが変わるのがポイントです。

音だけでなく、光や電波にもドップラー効果があります。気象庁も、音波や電波の周波数が発生源と観測者の運動によって変化する現象として説明しています。出典：気象庁「空港気象ドップラーレーダー」

救急車の音が変わる理由

近づくときは波の間隔が狭くなる

風のない場所で、あなたが道のそばに立っていると考えます。救急車は音を出しながら進むので、次の波を出す場所が、前の波を出した場所よりあなたに近づきます。その結果、進行方向の前側では波と波の間隔が狭くなり、耳には高い音として届きます。

遠ざかるときは波の間隔が広くなる

通り過ぎたあと、救急車はあなたから離れながら次の波を出します。後ろ側では波の間隔が広がり、1秒間に耳へ届く波の数が減るため、低い音に聞こえます。

ここで、車の速さがそのまま空気中の音速に足されるわけではありません。同じ状態の空気の中では、出たあとの音は空気中の音速で伝わります。動く音源が波を出す位置を変えることで、波の並び方が変わるのです。出典：NASA「Electromagnetics」

音の「高さ」と「大きさ」は別のもの

近づく車の音が大きくなることと、高く聞こえることは分けて考えましょう。音の高さは主に周波数、音の大きさは主に振動の振幅に関係します。遠くの音が小さくなっただけでは、ドップラー効果とはいえません。

光のドップラー効果で、星の動きがわかる

近づく光は青い側へ、遠ざかる光は赤い側へ

光も波としての性質を持っています。天体がこちらに近づく運動では、光の波長が短い側にずれる「青方偏移」が、遠ざかる運動では長い側にずれる「赤方偏移」が生じます。

これは、星が目で見てはっきり青色や赤色に変身するという意味ではありません。天文学者は光を波長ごとに分けた「スペクトル」を調べ、特定の線が本来の位置からどれだけずれているかを測ります。国立天文台も、ガスの運動によってスペクトル線の周波数が変わり、回転や噴出などの様子を調べられると説明しています。出典：国立天文台「電波分光」

横の動きではなく、こちらへ近づく・遠ざかる動きの手がかり

ドップラー偏移から主に読み取るのは、観測者と天体を結ぶ方向に沿った速度です。空を横切る動きまで、これだけですべてわかるわけではありません。ほかの観測と組み合わせることで、天体の運動を立体的に理解していきます。

たとえば、2つの星が互いに回り合う連星では、周期的なスペクトル線の変化が軌道を調べる手がかりになります。星がペアで回る仕組みは、連星と二重星の違いを解説した記事でも紹介しています。

宇宙の赤方偏移は、すべて同じ原因ではない

「赤方偏移があれば、すべて救急車と同じ仕組みなの？」と思うかもしれません。しかし、遠方の銀河を調べるときには、宇宙そのものの膨張によって光の波長が引き伸ばされる「宇宙論的赤方偏移」も重要です。

空間の中を天体が動くことによるドップラー偏移と、光が進むあいだに空間が膨張する効果は、区別して考えます。「赤い側へずれる」という観測結果だけで、原因をひとつに決めつけないことが大切です。出典：NASA「Spectroscopy 101」

探査機の追跡にも使われている

ドップラー効果は、宇宙探査機の動きを調べる際にも役立ちます。NASAの深宇宙通信網では、電波の送信周波数と受信した周波数のずれが、探査機が地球に近づくか遠ざかるか、その速さを調べる手がかりになります。

周波数のずれからわかる速度と、電波の往復時間などから調べる距離は、別の情報です。複数の測定を組み合わせて、はるか遠くを飛ぶ探査機の位置や運動を把握します。出典：NASA JPL「Exploring the Doppler Effect With NASA」

星の位置の見え方には、光を受け取る地球側の運動が関わる別の現象もあります。違いが気になる方は、光行差で星の方向がずれて見える理由も読んでみてください。

まとめ

ドップラー効果は、波を出すものと受け取る側の運動によって、観測する周波数が変わる現象です。救急車では音の高さとして、天文学ではスペクトル線のずれとして現れます。

身近なサイレンと、遠い星から届くかすかな光。まったく違うように見える2つが、「波の届き方を読み取る」という考え方でつながっています。