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天文地球物理学Ⅰ 2018年度

１.光と電磁波

Ⅲ.宇宙を調べる方法

・天体を調べる手段：天体が発する電磁波の観測が（ほぼ）唯一

・電磁波は波長（λ）と振動数（ν）を持ち真空中では、

λν=c （光速度：定数、3×108ms-1）の関係がある

・電磁波の粒子の性質に注目する場合は光子と呼び、

E=hν=ch/λ のエネルギーを持つ（hはプランク定数）


・電磁波は波長の順に分類され、波長の長い方から

＜電波、赤外線、可視光、紫外線、Ｘ線、γ線＞


２.大気の窓

・電磁波の波長によっては地球大気から吸収を受ける

・透過するのは、可視光と電波（の一部）のみ

・観測地によっては赤外線など一部も観測可能

（高山、砂漠、南極、などは水蒸気の影響が少ない）

・透過しない波長は、ロケット、人工衛星などで観測


１.光と電磁波、２．大気の窓

Ⅲ．宇宙を調べる方法

波長・電磁波は（λ）と（ν）を持ちλν=c(光速度)

・粒子の性質に注目する場合は光子：E=hν=ch/λ（hは定数）

・電磁波は波長の順に分類され、地上に届くのは可視光と電波

振動数


３.天体観測の手法

【撮像観測】：特定の波長で天体の見かけの姿を画像で捉える

・明るさの測定などの量的解析や比較して天体を調べる

【位置観測】：点状天体では位置の測定で解析するものも


【測光観測】：天体の明るさ（の変化）を捉える

・点状天体で明るさを測定（精密測定では 0.01等以下も可能）

・明るさの変わる天体（変光星）では測光で変光の理由を探る


・天体からの光は色々な波長の光が含まれる

→ 波長帯ごとに測らないと正確な評価ができない

・特定の波長帯を通すフィルターで測光する

→ ３色（ＵＢＶ）以上のフィルターを組み合わせる


【分光観測】：波長ごとの光強度を詳しく調べる

・波長ごとの光強度のパターンをスペクトルと呼ぶ

（光の帯、もしくはグラフ状にしたものもスペクトル）

・天体の温度、組成、密度、速度、などの物理量を解析できる

【偏光観測】：電磁波の偏光を観測→磁場の様子などを知る


３.天体観測の手法

フィルター

スペクトル

【撮像観測】：特定の波長で天体の見かけの姿を画像で捉える

【測光観測】：天体の明るさ（の変化）を捉える

特定の波長を通すで測光するのが一般的

【分光観測】：波長ごとの光強度を詳しく調べる

・波長ごとの光強度を

と呼び天体の物理量の解析に使う


４.光学望遠鏡

肉眼：６等星が限度（角度では１’） → 暗い天体はより集光が必要

瞳孔が開くと光が多く入射し、

暗いものが見えるが限界がある

より多くの光を集める道具＝望遠鏡

⇒レンズや鏡の直径（口径）が大きいほど集光力大、解像力大


【望遠鏡の方式】：・屈折式（レンズで集光）：色収差がある、メンテナンス容易

・反射式（凹面鏡で集光）：色収差がない、大型化しやすい、

【架台の方式】：・経緯台（上下左右）・赤道儀（極軸を持つ）


光学望遠鏡のいろいろ

65cm屈折望遠鏡 2mなゆた反射望遠鏡

8mすばる望遠鏡 TMT望遠鏡(30m)、計画中


４.光学望遠鏡

反射式

【望遠鏡の方式と架台の方式】：・屈折式（レンズで集光）：色収差あり、メンテし易い

・（凹面鏡で集光）：色収差なし、大型化容易

・経緯台（上下左右）と（極軸を持つ）

65cm屈折望遠鏡 8mすばる望遠鏡

赤道儀


５.観測装置

【観測データの記録】

・肉眼観測→データとして残らない

・写真→化学反応で残す、効率が悪い

・半導体素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）→光を電気に変換、高効率


写真乾板(a)とＣＣＤ(b)の感度の違い(A. Tyson, Astron. J. 96 (1988))

・現在はほぼ半導体素子による観測

・高効率、広いダイナミックレンジ、コンピュータに取り込める


半導体素子

５.観測装置

【観測データの記録】

・写真は化学反応のため低効率

・現在はほぼ（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ）による観測

・高効率、広いダイナミックレンジ、コンピュータに取り込める

写真乾板(a)とＣＣＤ(b)の感度の違い(A. Tyson, Astron. J. 96 (1988))


【分光器】

・撮像、測光 ⇒ ＣＣＤでデータを電気信号に

・波長情報を得るにはＣＣＤに入力前に分光の必要：分光器


・分光器による観測データの例：（どちらも波長別の光強度なのでスペクトルと呼ぶ）

・↓光の帯状態のスペクトル

（記録そのまま）・↓グラフ表示のスペクトル

（測定などはこの方式）


【能動光学と補償光学】

・望遠鏡の性能を限界まで引き出す

・能動光学：望遠鏡の鏡面を

アクチュエータで整える

・補償光学：大気による波面乱れを

鏡面の変形で補正する


補償光学

スペクトル

【分光器】

・物理的なデータを得るため分光の必要性：分光器

・波長別の光強度であるを取得する

【能動光学と補償光学】

望遠鏡性能を引き出すため工夫

・能動光学：望遠鏡の鏡面を整える

・：大気の乱れを補正する


６.電波望遠鏡

・大気の吸収のため可視光以外で地上に届く波長が電波

⇒可視光についで早くから天体の観測に使われた


・電波は可視光に比べて波長が長いので大きな反射鏡が必要

←６ｍ（錦江湾）４５ｍ（野辺山）→

１００ｍ

↓（グリーンバンク）３００ｍ

（プエルトリコ）↓


・単一鏡では大きさに限界があり解像度で光学望遠鏡に劣る

（可視光との波長差４桁以上） ⇒複数の望遠鏡の組み合わせで解像度アップ（干渉計）

【干渉計】


・大陸間や宇宙との組み合わせも可能

⇒光学望遠鏡以上の解像度を実現


６.電波望遠鏡

電波

干渉計

・可視光以外で地上で観測可能：電波望遠鏡の開発

・波長が長く解像度が劣るのを補うため：を使う


７.多波長の観測

・可視光、電波以外は高山、気球、飛行機、等で観測するか、

ロケットや人工衛星を使って、宇宙から観測する

赤外線観測衛星「あかり」

＜赤外線＞

低温のダストなど


Ｘ線観測衛星「すざく」

＜Ｘ線＞

高温の降着円盤など


γ線観測衛星「ＧＬＡＳＴ」

＜γ線＞

超高温の爆発現象など


・可視光でも宇宙に出ると

大気の影響を避けられる


７.多波長の観測

大気

赤外線

・可視光、電波以外は主にロケットや人工衛星で宇宙から観測

＜＞：低温のダストなど

＜Ｘ線＞：高温の降着円盤など

＜γ線＞：超高温の爆発現象など

・可視光でも宇宙に出ると

の影響を避けられる

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