よくわからないのですが、なぜ、はるか遠くにある恒星の距離が、その光を観測しただけで分かるのでしょうか？

Question

補足

望遠鏡で見て「なるほど。この星の距離は100光年か」なんてわかる人はプロですか？

Answer 1

埴輪おじさん（wak、通称：キャットバード）の回答を補足しておきます。

> 夏至と冬至の時にその星が見える角度を測定します。

と書いてありますが、これは一つの例です。ちょうど夏至方向や冬至方向にある星（射手座、双子座など）の場合、これだと角度の差は生じないので、春分と秋分あたりで測定します。要するに、１年間角度を測って、一番差が大きくなる時の値を使うということです。

次に、「ハップルの法則」と書かれていますが、正しくは「ハッブルの法則」です。独学者は、往々にしてこのように読み間違えたまま覚えてしまうことがあるので、注意が必要です。

Answer 2

銀河系中の近い星までの距離は、「三角測量の原理」により測定します。地球は太陽の周りを公転しています。その公転直径は3億㎞です。そして、夏至と冬至の時にその星が見える角度を測定します。この差を「年周視差」と言います。これで、三角形の一辺の長さと二つの角度が分かり、夏至の地球・冬至の地球・星を三つの頂点とした三角形の大きさが特定出来ます。従って、これで星までの距離を求めることが出来ます。

銀河系中の遠くの星になると、この「年周視差」は非常に小さな値になるので、三角測量の方法が使えなくなります。そこで、その星の本当の明るさと地球から見える明るさを比較して距離を求めます。明るさは距離の2乗に反比例します。様々な観測事実と理論からその星の絶対等級を求めます。絶対等級とは、32.616光年離れた距離での明るさです。これと見かけの等級を比較すると距離を求めることが出来ます。

銀河系の外にある近くの銀河までの距離は、「脈動変光星」を使って求めます。「脈動変光星」とは規則正しく明るさを変えている星です。明るさを変える周期が長いほど絶対等級が明るく、逆に短い程暗いと言う関係があります。この脈動の周期を観測すれば、その星の絶対等級が分かるので、見掛けの等級と比較すれば距離が求まります。

遠くの銀河にある星までの距離を求めるには、「超新星」を使います。ある種の星は終わりに大爆発を起こします。そして、同じ種類の超新星は同じ明るさで輝くので、超新星の種類を特定すれば、絶対等級が分かります。

もっと遠い何十億年以上も離れた天体までの距離を測るには、その銀河が地球から遠ざかる速度を使います。ハッブルの法則により、ビッグバンにより星が地球から遠ざかる速度は、星と地球との距離に比例することが分かっています。従って、遠ざかる速度が分かれば、星までの距離を求めることが出来るのです。そして、遠ざかる光源から発せられる光は、その速度に応じて、波長が長いほうにずれます。これを「赤方偏移」と言います。
光は波としての性質と粒子としての性質の二重性を有しています。この為、遠ざかるサイレンの音が低くなり、音の波長は長くなるのと同じ現象が現れます。これを、光のドップラー効果と言います。光源が遠ざかると、光の速度は変わりませんが、光の波長が長いほうにずれるのです。このずれ方を測定すれば、その星が地球から遠ざかる速度が分かります。

詳細は、下記のホームページを参照下さい。
http://beach26.webcrow.jp/nannnennmaenohikari.html

http://catbirdtt.web.fc2.com/hennkouseinokoudotosyuuki.html

Answer 3

なかなか距離を確定するのは難しくて、その距離を求めたい天体の光だけではわかりません。遠くなると三角法が使えないので変光星などを使って距離を求めたりするのですが、これとて実は誤差がかなりあります。
アンドロメダまでの距離が230万光年と言うのもあれば200万光年くらいのもあり、250万光年くらいというのもありますがこれって全部誤差の範囲です。

近いものでも誤差は生じますがそれは少なめで遠く程誤差が大きいと思った方が良いです。
https://www.youtube.com/watch?v=BniDV27EaMc

Answer 4

望遠鏡で見ただけではわかりません。

日常生活と同様にしかるべき「物差し」で測って距離を出します。

具体的な物差しについてはすでに回答がある通りです。

Answer 5

望遠鏡で見て「なるほど。この星の距離は100光年か」なんてわかりません。

比較的近距離(数百光年)の恒星は三角測量の原理(年周視差,VLBIなどの複数の望遠鏡の連携)で測ります。やや遠い天体(銀河の端あたり～近い銀河；数千光年ぐらいまで)は特徴的な天体(変光星など)を使います。
ずっと遠い銀河は、スペクトル分析を行って後退速度を測り、そこから算出します。