「素粒子宇宙物理研究のための実験観測技術入門」
（ものづくり講義）
光学に対する関心の巾：
① 知る ② 使う ③ 研究
(工夫／発展)する レポート課題：
γ線から電波、素粒子、重力波にわたる広い波長域で、宇宙や天体の研究が行われている。
いづれかの波長域における『空間分解能』について調べて、A4用紙2枚に簡潔に記述しなさい※。
例：電波（→A研）、赤外（→Uir） 可視（→宇宙理論）、紫外（→Ω）、X線（→Ux）、γ線（→素粒子）
※是非 『理科系の作文技術』（木下是雄著：中公新書） を参考にすること
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OPTICS 光学 Eugene Hecht
I. 基礎と幾何光学 II. 波動光学
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『OPTICS』 E. Hecht 尾崎・朝倉訳 『光学』 丸善 I. 基礎と幾何光学 II. 波動光学
1 簡単な歴史
7 波動の重ね合せ
2 波動
8 偏光
3 電磁波、光子、光
9 干渉
4 光の伝搬
10 回折
5 幾何光学 I
6 幾何光学 II
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1）幾何光学＝＞光線
2）波動光学 17世紀
1）屈折と反射の法則
スネルの法則 n
19世紀前半 光波
ヤングの複スリット実験（干渉）
フラウンホーファー n λ
フレネルの波動論
19世紀後半 電磁波
※ホイヘンスの原理（素元波）
※フェルマーの原理（最短時間）
※偏光（ホイヘンス）
※回折（グリマルディ）
※ニュートン・リング
3）量子光学：光子 15.5.28
光速度の測定 マックスウェルの方程式（電磁波）
ヘルツの屈折、反射、回折、偏光 実験 4）量子光学：量子
20世紀前半：hν
20世紀後半 状態 Φ
スペクトル系列（バルマー）
黒体放射（プランク）
光電効果（アインシュタイン）
半導体
“状態”のパラドックス
波束の収縮
量子もつれ
情報理論 量子コンピュータ／暗号
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光学 ＝＝ 収差論 （結像）
分光器（スペクトル）
検出器
情報 幾何光学 波動光学（物理光学） 量子光学（光子） 15.5.28
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大気の窓
電磁波：γ–X-紫外-可視光-赤外-電波 素粒子：ν 重力波 ν
E
気球
λ
飛行機
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λ
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望遠鏡
センサー 物理素過程
望遠鏡⇒センサー
位置／角度
スペクトル
分解能
分解能
すばる
Keck I+II
VLT -I
Si-CCD 反射（N/Cs/Nm）＋屈折
Al面（蒸着／スパッタ）
大気乱れ ~1”
Adaptive⇒λ/D
干渉計 ⇒λ/L
FUSE
GALEX
Si-CCD （斜め入射）反射
光学系
あかり
Spitzer
Herschel 半導体
ボロメータ
反射
電波
ALMA
Arecibo
SIS - X:Y
Al 生地／ペイント
X線
Chandra
すざく
Si-CCD
γ線 Mev
Fermi
可視
紫外
赤外
Gev
Tev
粒子線
重力波
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HESS/MAGIC
CTA At
Ω
鏡面 Si-C 回折 λ／D
Uir
鏡面 金？
回折 λ／D
Ae
（斜め入射）反射（Wolter）
カロリメータ Super 多層膜 mirror 光学系
Ux
積層 SiSi-CCD
筒箱長？
ステレオ 素
粒
子
積層 Si-半導体
空気シャワー⇒チェレンコフ光
カミオカンデ
かぐら／LIGO
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望遠鏡と測定装置
①ー望遠鏡 １）望遠鏡と顕微鏡：「見る」 無限遠／近距離物点からの光を“一点”に集める
２）レンズと鏡 焦点：f レンズの式 ３）望遠鏡の形式 光学系＋架台（＋測定器）
４）いろんな望遠鏡 ガリレオ望遠鏡から最先端望遠鏡まで４００年
②ー測定装置
１）撮像： 角度 θ ２）分光： 波長 λ
３）偏光： 横波ベクトル σ
４）観測装置 15.5.28
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焦点をもつこと
• 焦点 角度：θ＝＞位置：x／y
• 平行（光）が（一）点に結ぶ 結像
レンズ 1/f=( -1)(1/ 1-1/ 2) レンズ作りの式
鏡 f= 2 n= –1 15.5.28
“等しい<光学距離>” ものづくり2015
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レンズの式 1/a + 1/b = 1/f
1/a + 1/b = 1/f
＝＞ (a-f)(b-f)=f2
グラフ
化
b
a
望遠鏡 と 顕微鏡
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II-2
近軸光線
⇩ sin θ = θ - θ3/3!
ザイデルの 5 収差 F3
等–光路長条件
F2・θ
アッベの正弦条件
F・θ2
F・θ2
θ3
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ガウス
ザイデル
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波動
回折 広がる
Diffraction
! 粒子
干渉 重なる
Interferrence
波
Δω・Δt〜1 ! Δx・Δp〜h
!
cΔt〜Δl ： コヒーレント長
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望遠鏡の発展
色づく
1600 II-1
曇る
屈折
ガリレオ
ケプラー
法則／技術／理論
反射
スネルの法則
ヘベリウス
ホイヘンス
グレゴリー
ニュートン
カセグレン
1700 『光学』
ハドレー
色消しレンズ
ショート
1800 フラウンホーファー
屈折率：n(λ)
光学理論の展開
ハーシェル
ロッス
銀鏡反応
リック 36インチ
ヤーキス 40
1900 真空蒸着
コンピュータ
鏡材
ウィルソン60インチ
100
パロマー 200 3〜4m R-C Keck／VLT／MMT/
LBT
10 m HET→SALT
2000 {~30 m}
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反射
屈折
主焦点
ガリレオ式
ニュートン式
ケプラー式
グレゴリアン
式
カセグレン式
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光学系
□ 主焦点（〜直焦点）
□ナスミス焦点x２
□カセグレン焦点
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ガリレオの望遠鏡 天界の報告 ＊月のあばた
＊木星を回る衛星
1609~10 ＊太陽黒点 ＊土星 ＊金星
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ニュートン 光学（岩波文庫） 反射望遠鏡
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ホイヘンス、
ヘベリウス、
カッシーニ
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ハーシェル：W. Herschel
ドイツー＞イギリス
反射望遠鏡 自作 〜400台 販売
いくつもの天文学上の大きな発見
◎天王星
◎ ーー ◎ ーー ◎ ーー ◎ ーー 15.5.28
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Fraunhofer(1787~1826) ドイツ
フラウンホーフェル望遠鏡
口径９cm（＝＞２４cm） 世界最大
赤道儀ドイツ式
重錘駆動 9.5インチ屈折赤道儀
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１）フラウンホーフェル線
２）回折格子
３）ニュートン環研磨面検査法
４）屈折率／分散能測定
５）望遠鏡“群” 光学／架台／駆動
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91cm屈折
1988
リック
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102cm屈折
1897
ヤーキス
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反射望遠鏡の20世紀
II-4
1970代〜R−C望遠鏡
Classical ＋ 補正<レンズ>
R-C
4’ => 10’
20’〜60’
セロトロロ 1.57m
1922：設計/
1934：実機/
1962：測定法/ Du
Pont 2.5m
1970：〜
SALT
球面 !
CFHT 3.6m
＜計算＞
１m
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17世紀 “古
典”
II-3
Ritchey-Cretien
20世紀
Newton
（放物）
a+b+c=const.
＋
f・sin u=h
Gregory
（放物＋楕円）
Cassegrain
（放物＋双極）
Nasmyth
（放物）
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Keck 望遠鏡
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Keck-I, -II 10mx2
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VLTI 8.2mx４台 ヨーロッパ連合
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LBT :Univ of Arizona
Large Binocular Telescope 8.4mx2
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Giant Magellan Telescope
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E-ELT
European Extremely Large Telescope
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TMT
Thirty Meter Telescope 15.5.28
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HESS:
High-Energy Stereoscopic
Sysytem
Namibia :
12mx4 + 28m
12 countries:
Namibia and South Africa, Germany, France, the UK, Ireland, Austria, Poland, the Czech Republic, Sweden, Armenia, and Australia. An incident high-energy gamma ray interacts high up in the
atmosphere and generates an air shower of secondary
particles.
The number of shower particles reaches a maximum at about 10 km height, and the
shower dies out deeper in the atmosphere. Since the shower particles move at
essentially the speed of light, they emit Cherenkov light, a faint blue light.
The Cherenkov light is beamed around the direction of the incident primary particle
and illuminates on the ground an area of about 250 m diameter, often referred to as
the Cherenkov light pool.
For a primary photon at TeV energy (1012 eV), only about 100 photons per m2 are
seen on the ground, arriving within a very short time interval, a few nanoseconds.
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超大型電波干渉計
SKA 計画
【 概 要 】
ビッグバンから最初の星が輝きだ
すまでの宇宙の暗黒時代の解明、
強い重力場における重力理論証
明、宇宙磁場の起源・進化解明な
どを期し、国際共同科学事業とし
て、オーストラリアおよび南アフリ
カに電波望遠鏡3000台を建設す
る。サイエンスの推進やデータ処
理技術開発などを担当し、2020年
代の電波天文学をリードする。
中間周波数SKA (0.4-20GHz)
低周波数SKA
(50-350MHz)
【 スケジュール】
【 目的・目標 】
1931年の宇宙電波発見に続いて1951年には中性水素原子ガスの放射する波長
21cmの電波、1964年に宇宙背景放射、1967年にパルサーが発見され、センチ
波・メートル波による宇宙の観測によって、我々の住む銀河系の構造から宇宙の
大規模構造と進化が明らかになってきた。そこで我々は超大型電波干渉計SKA
の建設に国際協力で実現し、（１）宇宙最初の星・銀河による水素原始ガスの電
離過程、（２）パルサー観測による重力理路の検証、（３）宇宙磁場の構造と進化、
等を目指す。
【 南アフリカ・オーストラリアに設置する理由 】
• センチ波・メートル波が影響をうける人工電波雑音が世界的に最も低い
• 広大な面積の土地があり、望遠鏡を広範囲に配置して長い基線の確保が可能
• 電離層、対流層が安定しており観測に影響する雑音が少ない
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平成２５年度 建設準備
平成３０年度 10%SKA建設開始(Phase1)
100%SKA (Phase2)の仕様検討
平成３２年度 部分運用開始
平成３５年度 本運用開始
日本における対応
1. 科学運用面での詳細仕様提案
2. ソフトウエア、超大規模信号処理開発
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1）幾何光学＝＞光線
2）波動光学＝＞光波
17世紀
1）屈折と反射の法則
19世紀前半
ヤングの複スリット実験（干渉）
フレネル・ホイヘンスの原理
ホイヘンスの原理（素元波）
フェルマーの原理（最短時間）
光速度 30万km/s 3）物理光学＝＞電磁波
4）量子光学＝＞h、“状態”
20世紀前半：h
マックスウェルの方程式（電磁波）
ヘルツの屈折、反射、回折、偏光実験
19世紀後半
マイケルソン・モーレィの実験
アインシュタインの相対性理論 15.5.28
ものづくり2015
スペクトル系列（バルマー）
黒体放射（プランク）
光電効果（アインシュタイン）
20世紀後半 状態 Φ
“状態”のパラドックス
波束の収縮
量子もつれ
量子コンピュータ
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