宇宙科学 2012年度 前半担当： 富田晃彦（天文学、観測） 後半担当： 石塚 亙（素粒子物理学、理論） 質問は、いつでも歓迎しています。 大人数の講義なので、紙を配布して回収、は効率が 悪いので、富田宛にメールを送ってください。 [email protected] 件名：内容を示す短い言葉で 本文：宛名を書いてください。差出人を書いてください （宇宙科学受講なら、その旨）。 質問とその回答は、次回以降の授業で活用します。 富田担当分の参考書 授業では以下の２つの章から 抜粋して扱います。 第１章「さあ、はじめよう」 第４章「望遠鏡のしくみ」 この講義資料は、 参考書「星空案内人になろう!」からのスキャン画像、 星空案内人®資格認定講座からの資料画像、 公開天文台ネットワーク（PAONET）提供の画像、 富田の手書き画像 からなっています。 １． 星空観察に関する基礎知識 星座のルーツ 星の色 星の動きと地球の自転 星座の中の太陽の動きと地球の公転 太陽系についておさらい 太陽系から宇宙の果てへ 星座のルーツ 問 私たちがなじんでいる星座たちの起源はどこ にあるのでしょう。以下から選んで下さい。 ＊ 黄河文明 ＊ インダス文明 ＊ メソポタミア文明 ＊ エジプト文明 メソポタミアで生まれた星座 ギリシア神話と結合して発展 ギリシアの学問 ローマ時代、ギリシア人天文学者 プトレマイオス アラビア語翻訳書「アルマゲスト」 →現代に至る48星座 混乱状態を経て、 定められた八十八星座 1928年、 国際天文学連合 (IAU)が、 88星座を定めた。 「星座」は、今は行政区画（破線で区切った 各部分、無所属や重複なし） 天球に、緯度経度に相当する、赤緯、 赤経の座標が設定されている。 全天恒星図より 星の色もいろいろ 星（太陽のようにみずから輝く恒星）のように、高温で 不透明の物体から出る熱放射は、 低温の方が赤い色 高温の方が青い色 となって見えます。どんな温度でも、熱放射は全ての色 （特定の波長の光）を含んでいます。温度が高くなると、 どの色（波長）でも光が強くなると同時に、より青い色 （より短い波長）の光が強く増すので、全体として青っ ぽい色へと遷移していきます。 クイズ 星の色は、何が決めていたのでしょうか？ 星の表面の温度 低温（3000K）だと赤、 高温（数万度）だと青白 太陽は約6000K 光は電磁波 星の動きと地球の自転 天の北極を見る と、反時計回りに 日周運動は、もちろん 地球の自転による 見かけのものである 東から出て 「天の北極という 方向」の近くに、 北極星という星 が見える 東西南北、見え方が いろいろのような気が するが、天球の回転 というひとつの現象で あることに注意 南中時、南を向いて いると左から右へ 北半球での太陽や月 の動きから「南中」と いう言葉があるが、 「子午線通過」の語の 方が一般性がある。 西に沈む 「天球」は日周運動を 考えるための、便利 な「モデル」である 星座の中の太陽の動きと地球の公転 季節によって見える星座が変わるわけ 回転の軸の方向を変えるのは簡単ではない →自転車を思い出そう 公転しても、自転軸の（宇宙空間の中での）向きは（なかなか）変わらない クイズ 季節はどうして変わるのでしょうか？ どうして夏は暑く、冬は寒いのでしょうか？ 夏の方が冬に比べて： （１） 太陽の南中高度が高い （２） 日照時間が長い したがって、温度が高くなる 太陽の宿る星座 月も惑星も、だいだい「獣帯」にお邪魔している 白羊宮（はくようきゅう） おひつじ座 金牛宮（きんぎゅうきゅう）おうし座 双児宮（そうじきゅう） ふたご座 巨蟹宮（きょかいきゅう） かに座 獅子宮（ししきゅう） しし座 処女宮（しょじょきゅう） おとめ座 天秤宮（てんびんきゅう） てんびん座 天蝎宮（てんかつきゅう） さそり座 人馬宮（じんばきゅう） いて座 磨羯宮（まかつきゅう） やぎ座 宝瓶宮（ほうへいきゅう） みずがめ座 双魚宮（そうぎょきゅう） うお座 Aries Taurus Gemini Cancer Leo Virgo Libra Scorpio Sagittarius Capricornus Aquarius Pisces Aries（英語読みだとエアリーズ、ローマ字的にはアリエス、以下同） アリエスの乙女たち 里中満智子作の少女漫画、「週刊少女フレンド」連載(1970年代)。1980年代、南野陽子主演のテレビドラマ化。 Gemini（ジェミナイ、ジェミニ） いすゞ自動車の車種 アメリカの有人宇宙飛行計画(1960年代) Leo（リーオウ、レオ） ウルトラマン、ジャングル大帝、西武ライオンズ Scorpio（スコーピオ） スコーピオンズ（知ってる？） 書ききれません。いろいろ調べてみて下さい。 人気のありそうな星座名 アンドロメダ Andromeda オリオン Orion（オライオン） カシオペア Cassiopeia ケンタウルス Centaurus（セントーラス） ペガスス Pegasus（ペガサス） ヘルクレス Hercules（ハーキュリーズ） ペルセウス Perseus（パーシアス） 鳳凰 Phoenix（フィーニックス、フェニックス） 山猫 Lynx（リンクス） 琴 Lyra（ライラ、リラ） 白鳥 Cygnus（シグナス、キグナス、キグヌス） 済んでしまったが、今年の大きな天文現象 2012年5月21日（月）金環日食 和歌山を始め、太平洋岸で、 金環食が見られました。 2012年6月6日（水） 金星の太陽面通過（これを逃すと、百年以上ない） 見た？ 脱線 → 神戸のビーナス・ブリッジ １天文単位の実測 どうして、こんなに珍しいのか？ 太陽系外惑星の検出法 太陽の日周運動 太陽が「戻ってくる」周期 ＝人間生活で使っている １日（太陽日） 星座の星々が「戻って くる」周期＝１恒星日 １太陽日 ＝１恒星日＋約４分 太陽の日周運動と、星の日周運動は、ちょっと違っている 太陽が一周する（つまり一日を数える）間、 星は一周とちょっと（１度）回る。 この「ちょっと」が１年分たまると → 一周になる これが年周運動 月や惑星の「かわった」動きといっているものは、日周運動や年周運動とは 別の動き（星座を背景にした太陽の動きと同じ）。 地上から見る視点（日周運動、年周運動、惑星 の複雑な動き）と、地球を含めて太陽系の惑星 の運行を外側から見る視点の２つを駆使せよ! 星によって違う明るさ １００倍 １等 ２等 ３等 ４等 ５等 ６等 １００1/5=2.5倍 柴田晋平氏の資料より 人間の目に「やさしい」格付け、等比数列的 格の違い「ひとつ」は 100.4 = 2.512… 倍 （約2.5で十分） 太陽系についておさらい 惑星は星座の中を移動 惑星は、かつて 関西では游(遊)星 と呼んだ。 神出鬼没のように 思えるが、もちろ んちゃんと位置が 計算されている。 木火土金水 の５惑星は、見えていれば一等星 ここで一等星は「一番明るい格の星」という意味で使っていて、数値で測って １等星と、それ以上明るい星（０等星、−１等星など）を合わせている。 惑星は、あまり またたかない（惑星を見分けるコツ）。 明るいので色を感じやすい（星は色づいているが、暗いと 肉眼では色がはっきり見えない）。火星は赤い、土星はク リーム色といった特徴も、惑星を見分けるコツ。 システム工学部情報通信学科B1 山本彩奈さん より ドップラー効果で 、地球から遠ざかる恒星は赤く、近づく 恒星は青く見えるなら、温度の高い恒星が地球から遠ざ かっている時や,温度の低い恒星が地球 に近づいている 時の恒星の色は何色? 生命が存在する可能性の高い太陽系外惑星でケプラー ２２bとグリーゼ５８１gの他には? いい質問をありがとう。質問に感謝。 太陽系から宇宙の果てへ 宇宙の距離を測る 地球一周40000km（定義的にそう決めた） 地球の直径30個分→地球-月間の距離 地球-月間の距離の400倍→ 地球-太陽間の距離：１天文単位(AU) １億5000万km（1874年、金星太陽面通過を使った歴史的な測定；神戸のビーナスブリッジ） 地球の直径30個分→地球-月間の距離 光が１年かかって進む距離 １光年(ly) １光年は、ひとこえ10兆km（9.5兆km）=約6万AU 専門的には、１パーセク(pc) = 3.26 ly クイズ 日本から見える１等星は16ある。 すべて固有名を言えますか。 また、それらは色々な製品の名にも使われている。 例を挙げてみよう。 １等星（およびそれに準ずる星）の固有名 春 アークトゥールス Arcturus スピカ Spica ペットの名前、手作り小型望遠鏡の製品名 レグルス Regulus 夏 ベガ Vega 腕時計 デネブ Deneb アルタイル Altair アンタレス Antares 宇宙船の名 秋 フォーマルハウト Fomalhaut 冬 カペラ Capella マツダの車 アルデバラン Aldebaran ホテルの名前など ベテルギウス Betelgeuse 「ビートルジュース」 リゲル Rigel シリウス Sirius プロキオン Procyon カストル Castor（双子の兄、1.6等級） ポルックス Pollux（双子の弟、1.1等級） カノープス Canopus 計算機周辺機器メーカー その他 ポラリス Polaris アルゴル Algol 怪物メデューサの首 ミラ Mira 「不思議なもの」、ダイハツの車 銀河団 宇宙の階層構造 銀河 解説 銀河 太陽系 星 星団 星雲 銀河 銀河団 宇宙の 地平線 世帯 市・町・村 県 国 地平線 ○○市 ○○県 国 柴田晋平氏 の資料より 星団と星雲 恒星が1000億個程度集まった 大集合体＝銀河系 ガス（広大に広がり大変希薄な気体、主に水素） 太陽のように自ら輝く、高密度で コンパクトな天体＝星（恒星） 宇宙規模では、星といえば恒星 恒星の周りに、 惑星が回っている 惑星は恒星のすぐ近くにある、 付属物としてとらえられる クイズ 天の川は、どういう天体を、どのように見ているもの、 でしょうか？ 銀河系という、巨大な円盤形の体系の、 円盤部にわたしたちはいる。 そこから円盤部を見回すと、 全天を一周する、星の分布の帯が見える。 それが天の川である。 オリオン星雲な どは、銀河系 （私たちの住む 銀河）内にあり、 銀河系の中の 次世代の星を 生んでいる場 所です。 銀河 つぶつぶとして、 たくさん写ってい る星 → 銀河系 内の星であり、 「天の川」構成員 でもある。 アンドロメダ銀河とその伴銀河（衛星銀河） は、銀河系の外にある、「よその銀河」であ る。これらよその銀河の中にも、たくさんの 星や星雲が含まれている。「よその天の川」 とも言える。 宇宙の地平線 エドウィン・ハッブル、銀河の世界の研究の先駆者 銀河は我々の銀河系から遠ざかっており、 その後退速度は銀河までの距離に比例する → ハッブルの法則 これは、宇宙の膨張として解釈 → すると過去は、高温高密度の火の玉？ １３７億年前の宇宙の開闢（案外宇宙は若い？） → なにしろ地球は46億歳 （宇宙の姿の変遷を見届けてきたに違いない） 見かけの大きさは角度で測る 「星空案内人」向け 角度の便利な測り方 ２．望遠鏡のしくみ 望遠鏡による天体観測の幕開け 1609年、ルネッサンスにわくイタリアで、 ガリレオ・ガリレイが、後にガリレオ式屈折望遠鏡と よばれる望遠鏡を製作し、天体に向けた。 のちに、「星界の報告」「天文対話」の著書を出版 ガリレオは最初に望遠鏡を発明した人ではないが、天体 観測用望遠鏡を開発し、天体の観測的研究をした最初期 の科学者である。 1609年から400年後の2009年 → 国際天文年 遠くのものを見る、拡大してみる → 像 をうまく作る 像とは、レンズや鏡などを使い、形を映し出しているもののこと （虚像） 物(ぶつ) (object) （実像） 光学系 像 (image) 光が集まり、スクリーン（状のもの）に絵が出るもの → 実像 光線を逆向きに延長すると集まり、 まるでそこから光が発するように見えるもの → 虚像 望遠鏡は、はるか遠くの天体の像（実像）を手元に 作り出し、それをじっくり、また細かく観察（眼視、あ るいは写真撮影）するように工夫したものである。 眼球も、小さいが望遠鏡である： 人間に見えるからには、網膜に実像が結像されている。 スクリーン上の実像であっても、虚像と考えるものであっても、 最終的には、眼球で結像して（そして脳で処理して）「見えた」と感じる。 凹面鏡を使った、鉛筆の実像 国立天文台、室井氏の資料より（この章の図で多 数） 凸レンズによる実像 （倒立像） 凹面鏡や凸レンズを使うと、実像を結ぶことができる。 倒立なのは、慣れればなんてことありません。 実は私たちの眼球でも、水晶体（凸レンズ）が網膜に造る像は、 倒立実像です（正立と、脳が「処理」）。 無限遠（と考えてよい）対象からの光は、平行光線と見なせる。 凸レンズに通すと、そのレンズの焦点距離だけ離れた位置（焦点[面]） に、実像を結ぶ。このようにして、天体を「手元に」もってくる。 ここでは凸レンズで示したが、実像を結ぶという意味では、 凸レンズも凹面鏡も「等価」である。天体の実像をつくるものを、 凸レンズなら対物レンズ、凹面鏡なら主鏡と呼んでいる。 望遠鏡を２種類に分類する 屈折望遠鏡 対物レンズで実像を作るもの （レンズ だから→屈折） 反射望遠鏡 凹面鏡で実像を作るもの （鏡 だから→反射） 屈折望遠鏡 （ケプラー式） f1 f2 （実際には、このような 見方はあまりしない） 無限遠に 焦点を 凸レンズ 合わせた眼 それを 接眼レンズ 「虫めがね」 （アイピース） で拡大 対物レンズ ここに倒立実像を作る この場所に、検出器を置けば、写真になる。 写真は実像を作る位置に検出器を置いたものである。 f1, f2: 対物レンズ、接眼レンズ、それぞれの焦点距離 クイズ 望遠鏡は、まず（ a ）で、天体の（ b ）を作る。 その（ b ）を、写真に撮ったり、 （ c ）でさらに拡大して眼視したりする。 a 対物レンズ（屈折望遠鏡なら）、 あるいは主鏡（反射望遠鏡なら） b 像（実像） c 接眼レンズ 反射望遠鏡 （巨大望遠鏡に適） ここでは、作られる焦点面（実像形成）が図示されている。 眼視の際、接眼レンズを付けて見る。 →だから、完全に「反射」のみでなく、レンズの「屈折」も用いる。 大型望遠鏡では、架台部分に 焦点を引き込む方法もある。 この焦点面に、 大型の検出器を置く ことができる。 ナスミス焦点 クーデ焦点 架台 ＊剛性、安定性が大事 ＊自動追尾なら、その正確性も大事 ２大分類：経緯台（けいいだい）と赤道儀（せきどうぎ） いずれも、２つの回転軸がある。 クランプを緩めて粗動、しめて固定。 クランプをしめた上で、微動ハンドル（あるいはつまみ）で微動。 経緯台 鏡筒（きょうとう） 方位（地面に水平方向） 高度（地面に垂直方向） ファインダー 西南西の方向、 地平線から30度の高さ、 という指定方法 接眼部 架台 この例での望遠鏡は、シュミットカセグレン式反射望遠鏡 望遠鏡製作会社Vixenの製品より 望遠鏡製作会社Vixenの製品より 赤道儀 天の北極（南極）、赤道を基に、 天球面に緯度経度を張った 「赤道座標」に合わせる 微動ハンドル この例での望遠鏡は、ニュートン式反射望遠鏡 望遠鏡製作会社Vixenの製品より 望遠鏡製作会社Vixenの製品より 倍率 検出器をここに置けば、写真が撮れる。 焦点面 ここに 倒立実像 ができる 対物レンズ （凹面鏡でも、同じ機能） 焦点距離 焦点距離が長い（度の弱いレンズ、あるいは鏡）ほど、 焦点面上での実像サイズは大きく（注意!）、 また面積的に広がる分、明るさは減じることになる。 f1 f2 その実像を、 「度の強い」 接眼レンズで 拡大して見る → f2を小さく すれば 大きく見える ここに倒立実像を作る→f1を大きくすれば大きな像ができる 接眼レンズを通した眼視での倍率 f1 / f2 天体を見込む角度が何倍になるか また、距離が何分の一になるか、とも言える。 例：38万km先にある月を38倍で見る 1万km（地球直径くらい）上空から見たことに! →「かぐや」は、月面上空100km(!) 注意： ○ 近視でも遠視でも、望遠鏡を通して網膜上、焦点は合う。 よく使う説明図は、無限遠方に焦点を合わせた時の図。 ○ 接眼部を覗く眼の位置は、接眼鏡のレンズ面から接眼鏡 焦点距離（これは実際短い）くらい離れた所。 →眼を接眼鏡すれすれまでに近づけてOK ∴ 眼鏡を外そう、眼を近づけよう、焦点は合う! ただし、焦点が出る、望遠鏡の筒の長さ調節位置は 人によって違う（近視、遠視の度合い） → 見る時は、ちゃんと合わせよう! 口径と集光力 集光力 ∝ 口径2 （主鏡あるいは対物レンズの面積） 大口径ほど、暗い星が見えてくる。 肉眼は（一番開いて）直径7mmの口径を持っている。 口径と分解能 分解できる最小角度 ∝ 1/口径 大口径ほど、細かいところまで見えてくる。 同じ倍率でも、大口径のほうが明るく、細かい部分までよく見える。 有効倍率 ものには何でも「ころあい」がある 対物レンズあるいは主鏡で焦点面上に実像を作り、 それを接眼レンズで拡大 → 接眼レンズを変えれば倍率が変わる 有効最高倍率 高倍率をかけすぎると、 分解能を越えて像が拡大され、また像が暗くなる 口径をmm単位で表した数値くらい 例：口径6cm望遠鏡なら、60倍（屈折式、反射式を問わない） 月や惑星のように、高輝度なら、この2倍の高倍率でもOK。 星雲・星団のように淡い天体は、明るく見たいため、 極端な高倍率は適さない。 最高倍率は 口径(mm)程度 この説明文は、 まだ甘いくらい である! はじめて望遠鏡を買うなら： 口径6 cmの屈折望遠鏡、経緯台がおすすめ 相場は2～3万円 手作り望遠鏡もおすすめ： 口径4 cmの屈折望遠鏡 オルビィス社のコルキット・スピカ 2625円 初心者用 中級者用 ６ｃｍ １０ｃｍ 和歌山大学教育学部 屋上天文台 ６０ｃｍ 口径の比較 和歌山大学 ６０ｃｍ かわべ天文公園 みさと天文台 １００ｃｍ １０５ｃｍ 東京大学木曽観測所 国立天文台岡山天体物理観測所 １８８ｃｍ 国内最大は、西はりま天文台の ２００ｃｍ 東京大学 木曽観測所 105cmシュミット望遠鏡ドーム 対物の開口から、補正レンズ越しに、主焦点面カメラの後ろにいる観測者 国立天文台 岡山天体物理観測所188cm望遠鏡 カセグレン焦点 に取り付けた 分光器 岡山 １８８ｃｍ 国立天文台 すばる望遠鏡 ８２０ｃｍ クイズ 望遠鏡の性能を示す一番重要な数値は、倍率ではない、 （ a ）である。 （ a ）が大きいと、集光力が大きく、分解できる最小 の角度が小さくなる。その依存性は（ b ）である。 （ a ）に応じて、有効な最高倍率がだいたい決まる。 それは（ c ）である。 a 口径 b 集光力は口径の２乗に比例し、分解できる最小の角 度は口径に反比例 c 口径をmm単位で表した数値程度 「星空案内人になろう!」の 教科書記述の訂正 p 261 問題解答 第４章の答え 問５（×）＞問６（×） 尚、説明文はかわりません。
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