２．望遠鏡のしくみ (必修科目、講義科目) 天体望遠鏡の原理および構造、操作に必要な予備知識１望遠鏡の原理を理解する 1. 凸レンズと凹面鏡には光を集める性質がある。その結果として遠くにある物体の実像が手もとに得られる。 2. 実像の位置にフィルムやCCDなどの光に感じるものを置くと写真を撮ることができる。 3. 虫めがねを用いた観察の要領で実像を拡大して観察することができる。 4. 原理に関係した以下の用語を理解する。 (1)対物レンズ (2)主鏡 (3)焦点(面) (4)焦点距離 (5)アイピース(接眼レンズ) 5. 補足(簡単に触れたり、テキストに載せる程度の扱い) 1. 実像を立体視する実験によって、実像の位置を実感を持って理解できる(凹面鏡では市販のミラクルミラー等、凸レンズでは直径30cm程度のフレネルレンズによる観察)。２天体望遠鏡の構造 1. 実像を得る手段として凸レンズを用いたものを屈折(式)望遠鏡、凹面鏡を用いたものを反射(式)望遠鏡と呼ぶ。 2. 実像を観察しやすい位置に移すために補助的な鏡を用いる(副鏡や天頂プリズム)。 3. 対物レンズ/主鏡および焦点面の位置を実際の望遠鏡を用いて確認する。 4. 以下の望遠鏡各部の名称を知る。 (1)鏡筒、 (2)接眼部、 (3)架台、 (4)ファインダー 5. 補足(簡単に触れたり、テキストに載せる程度の扱い) 1. 比較的よく使われる方式: (1)ケプラー式(屈折)、 (2)ニュートン式(反射)、 (3)カセグレン式(反射)、 (4)シュミットカセグレン式(反射) 2. 屈折式および反射式望遠鏡のそれぞれの長所・短所３望遠鏡の性能を決める要素 1. 望遠鏡の性能を決めるもっとも重要な要素は口径 (対物レンズあるいは主鏡の直径)である。理由： (1)焦点(面)に集めることができる光の量が光を受ける面積(口径の2乗)に比例し、口径が大きいほど天体の実像は明るく、よって、暗い天体まで認識することができる(集光力)。 (2)口径が大きいほど精密な(木目細かい) 像を結ぶ(分解能)。 2. 接眼レンズを通して実像を観察するとき、その倍率は対物レンズまたは主鏡の焦点距離接眼レンズの焦点距離で求められる。したがって、接眼レンズの焦点距離を変えることによって倍率を調整することができるが、口径によって適切な倍率がある。口径をミリメートルで表したものをDとするとき、最高倍率は D程度、最低倍率は D/7程度である。 3. 以下のような望遠鏡の性能を阻害する要因がある。 (1)レンズや鏡の性質のため、像にぼけやゆがみ、色づきがある (これらの現象は収差と呼ばれる)、 (2)鏡は時間経過とともに反射率の低下がおこる、 (3)望遠鏡内部や望遠鏡格納庫など周辺の空気の乱れ/光の散乱など、 (4)大気のゆらぎ(シーイング)、 (5)大気における光の吸収/散乱(透明度)、 (6)背景光(特に、人工光)、などである。 (4)-(6)は天体の高度が低いほど大きいので、観察する天体の高度は高いほうが条件がよい。 4. 補足(簡単に触れたり、テキストに載せる程度の扱い) 1. 回折による分解能の限度 2. 実像の大きさや倍率の計算方法 4. 架台の種類とその構造 1. 大きく分けて、経緯台(式)と赤道儀(式)がある。 2. 経緯台では水平方向および鉛直(上下)方向の運動を作る。 3. 赤道儀は、地球の自転軸に平行な極軸(赤経軸)とこれと垂直な赤緯軸の２軸を持ち、極軸の回りの回転によって日周運動を追うことができる。 4. 架台は安定してしっかりした構造物でなければならない。 5. クランプや微動といった工夫を知る。 6. 補足(簡単に触れたり、テキストに載せる程度の扱い) 1. それぞれの架台について長所・短所を知る。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（お楽しみに!）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屈折望遠鏡（ガリレオ式）接眼レンズに凹レンズ正立像が見えるが、高倍率、高視野を得にくい →オペラグラス（低倍率、正立像）でよく利用される（この授業で、広報の席の受講生は使っている、かも？）天体望遠鏡では、普通、使われない。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屈折望遠鏡の特徴 ○ 定期的なメンテナンスを要する部分が少なく、初めての人でも扱いやすい。 ○ 視界全体にわたって像の歪みが少ない。 × 同口径の反射望遠鏡に比べて、大きく、重い。 × 同口径の反射望遠鏡に比べて、値段が高くなる。 × 像に虹色のニジミ（色収差）が出る。 →色消しレンズ（複数枚の凸レンズ・凹レンズを組み合わせ、全体として凸レンズの働きをしつつ、色収差を軽減させたもの）で軽減できる。反射望遠鏡の特徴 ○ 主鏡の口径をある程度大きくしても鏡筒は長くならない（光路を折り曲げるため）。 ○ 主鏡による色収差がない。 ○ 主鏡や鏡筒の大きさ、目的や用途に応じて様々なタイプの望遠鏡を作ることができる。 × 視野周辺部にできる像が、たなびく髪の毛のように歪んで見えるコマ収差が見られる（特に口径比[=焦点距離/口径]の小さな望遠鏡で）。 × 鏡筒内気流が乱れやすく、見える像が揺れることがある。 × 調整を要する部分が多い。 ○ 屈折望遠鏡など、長い筒の望遠鏡では、天頂方向を見る際、姿勢が苦しい → 天頂プリズムと呼ばれる、光路を直角に曲げる光学系を入れると便利 ○ 反射望遠鏡（の多く）：筒の中が密閉されていない主鏡：ホコリで汚れる→洗浄が必要また、曇ってくる→再メッキが必要（面倒） ○ 主鏡の直接の焦点位置が筒の中、筒先にできる →第二（副）鏡を入れ、光路を曲げる →大望遠鏡なら、そこへ直接検出器を置く ○ 巨大対物レンズより、巨大凹面鏡の方が：＊安価で、＊筒内設置も安定 →巨大望遠鏡は、一般に反射式収差（びしっと、焦点を結ばない）レンズを使うと： → 凹面鏡を使うと： → 色収差色消しレンズという工夫をした、複数枚レンズの組で軽減コマ収差凹面鏡面の組み合わせ（主鏡、副鏡）、補正レンズの挿入（シュミットカメラ）という工夫で軽減架台＊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。有効最低倍率射出瞳径 = 口径/倍率これが肉眼の瞳最大径の 7mmを越えると「もったいない」有効最低倍率 → 口径(mm単位) 例：口径6cm望遠鏡なら、8-9倍 /7 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! 初心者用中級者用６ｃｍ１０ｃｍ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１００ｃｍ１０５ｃｍ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望遠鏡の性能を阻害する要因シーシング：大気のゆらぎによって、天体の像がゆらいだり広がったりする度合い ○良いときで1″～2″（単位：角度の秒＝1／3600度）程度 ○日本はシーイングが悪く、悪いと、数10″にも! ○大気の状態などにより時々刻々変わる。 ○場所によっても、随分変わる。 ○その他外的な要因によっても変化する・望遠鏡と外気の温度差（反射式でもろに影響が出る）・天体の高度（地平線に近いと悪い） ●大気中のチリなどの量（透明度） ●街灯の存在（大気中チリで散乱し、背景光になる） ●人間活動による熱、強い光 ●人間や、食事（カップラーメン）も「かげろう」の熱源!! 「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。