望遠鏡
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望遠鏡（ぼうえんきょう）とは、遠くにある物体を可視光線・赤外線・X線・電波などの電磁波を捕えて観測する装置である。古くは「遠眼鏡（とおめがね）」とも呼ばれた。観測に用いられる電磁波の波長により、、光学望遠鏡と電波望遠鏡に大別される。また、電磁波を捕える方式による分類では、反射式望遠鏡と屈折式望遠鏡がある。
電磁波の波長により、可視光で観測するもの、短波・長波などの電波で観測する物などがある。また、可視光でもフィールドでの観測を目的とした物にはフィールドスコープ、ナイトスコープ、双眼鏡などがある。また、地球の衛星軌道上にも衛星を使った望遠鏡が稼動中。今後は、惑星軌道系にも、宇宙観測を目的にした望遠鏡が稼動する予定。
目次 |
[編集] 概論
光子、ニュートリノ、重力子としての粒子及び電磁波、ニュートリノ、重力波の波長領域を観測する装置全体を一般には望遠鏡と呼ぶ。特に、遠くにある物体が放つ、それらの粒子・波長を用いて物体像を拡大して観測を行うことを目的に、設計・製造された装置を狭義の望遠鏡とする。また、粒子の検出装置も狭義の望遠鏡とする事がある。
[編集] 基本
望遠鏡とは、カメラのレンズと同じようなものであると思えば分かりやすい。ただし口径の大きな対物レンズ（反射式においては反射鏡）と口径が小さい接眼レンズに分かれる。対物レンズは凸レンズであり、接眼レンズが凹レンズであれば正立像が得られる。これは一眼レフ方式のカメラのファインダーと同じ構造である。望遠レンズのように焦点距離が長い対物レンズを使うと、大きな像が得られる。接眼レンズを凸レンズにすれば倒立像となるが、さらに大きな倍率が容易に得られる。これをそのまま天体に向ければ天体望遠鏡となる。
望遠鏡を望遠鏡たらしめているメインパーツはその光学系である。光学系の個々のパーツ（光学素子：レンズや反射鏡など）を支える機構を「光学系支持機構」と呼ぶ。光学系支持機構には、望遠鏡の姿勢変化、温度変化、風向・風速の変化などが起こっても光学素子にゆがみを与えないことが求められる。望遠鏡光学系をその支持機構ごと支え、天球上の任意の位置に向ける装置を「架台」と呼ぶ。架台はスムーズに駆動し、長時間にわたって高精度で天体を追尾できなければならない。天体が発する光は、一般に非常に弱く、詳しい分析に耐えるほどの光量を集めようとすれば、大望遠鏡を持ってしても何時間の露出が必要となることが珍しくないからである。近年、より深く宇宙を探査するために、ますます大型の望遠鏡や観測装置が必要とされるようになってきている。
大望遠鏡においては、巨大な光学素子をいかにコンパクトで軽量かつ堅牢な架台で支えるかが重要となってくる。架台がコンパクトで軽量になるほど、その駆動機構への負担が軽減され、望遠鏡全体を覆うドームや建物などの建設コストも下げることができる。また、架台の堅牢性の向上にも繋がり、指向・追尾性能を向上させることにもなる。架台のコンパクト化を図るためには、反射望遠鏡においては、その主鏡の焦点口径比（F比）を小さくし、明るい光学系とすることが肝要である。近年の大望遠鏡は、F比の小さい主鏡を製作する技術が進歩したことによって、建設が可能となったとも言える。例えば、岡山天体物理観測所の188cm望遠鏡（1959年製作）の主鏡はF比4.9であるが、すばる望遠鏡（1999年製作）では主鏡F比は1.8となっている。
[編集] 歴史
ナポリのデラ・ポルタ（Giambattista della Porta 1535年 – 1615年）の『博学史』（1589年、20巻）の17巻の10章が望遠鏡についての記述がある（このことはヨハネス・ケプラーの『屈折光学』（1611年）にもデラ・ポルタが20年前に望遠鏡を発明した記述されている。）。ネーデルラント連邦共和国のベックマン（ヤンセンの息子サカリアセンからレンズ研磨を習った）の日誌によると、1604年にミデルブルフの眼鏡職人ツァハリアス・ヤンセンがイタリア人の所有の1590年と書かれた望遠鏡を真似て作ったという。シルトリによると自分の客から作り方をならったオランダ、ミッテルブルフの眼鏡職人ハンス・リパシュー（Hans Lippershey 1570年 – 1619年）が「kijker」と命名した2枚のレンズ組み合わせた望遠鏡について1608年10月2日、特許申請をオランダ総督にした。10月14日にはAlkmaarのJ.アドリアンスゾーン・メチウス（Adriaanszoon Metius 1571年 - 1635年 1598年からフラネカー大学教授）が特許申請を行なった（2年間改良していたという）。この同時申請のため特許はどちらにもおりなかった。リパシューは双眼望遠鏡も作り、またマウリッツ総督の命により900フロリンで軍用望遠鏡を作った。
日本においては近藤正斉の『外藩通書』によれば1613年（慶長18年8月4日）に「慶長十八年八月四日、インカラティラ国王ノ使者於駿城御礼申上ル…長一間程之遠眼鏡六里見之ト見ユ」とあり、イギリスのジェームズ1世 (イングランド王)の使いジョン・セーリスが徳川家康に献上のもの（現徳川美術館所蔵）が最古とされる。
[編集] 天体観測
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ガリレオ・ガリレイはリパシューの発明を知った後1609年5月に1日で作った望遠鏡を初めて天体に向けたものである。そのころの接眼レンズは凹レンズで正立像だが、倍率は低いものであった。その後は、目の能力を拡大するために、様々な光学の要素技術開発にともない、様々な種類の天体望遠鏡、フィールドスコープ、双眼鏡等が開発された。19世紀から20世紀にかけて発達した写真技術を使い、肉眼での観察から、より客観的な測定ができる天体観測が行われるようになった。20世紀に入って、電子工学の発展に伴い、光学系としての望遠鏡に附属する観測装置の開発が進んだ。光電効果を利用した光電測光器による光電測光技術が発達し、マイクロチャンネルプレートなどを使ったイメージインテンシファイアが誕生した。現在ではCCDイメージセンサを冷却して撮像する冷却CCDカメラによって100%近い光子を検出できるようになった。また、電磁波領域におけるレーダーや宇宙通信等の測定装置開発から、電波望遠鏡が誕生した。そして、宇宙技術の進展に伴い、人工衛星として宇宙空間に設置する宇宙望遠鏡へと発展を遂げた。それらの要素技術との組み合わせによって、ニュートリノ望遠鏡、重力波望遠鏡等も生まれ、21世紀初頭の現在、全ての波長に対する観測装置が出揃うことになった。
[編集] 種類
- 天体望遠鏡 天体を観察/観測するため作られた望遠鏡。分解能と集光力の両方の性能が重視される。おおまかに分けて、屈折式と反射式の2種類があるが、それぞれ一長一短がある。
- フィールドスコープ 小型の望遠鏡に正立プリズムを付け、鳥や動物、地上風景などを主に観察・観測する物。軽量で防水設計になっていたり、機種によっては手持ちで使う事を考慮してあったりと、取り扱いが簡単になっている事が多い。
- ナイトビジョン 淡い光を電気信号などにて増強するもの。軍事用などで使われる、ほぼ等倍率のものから、天体望遠鏡に取り付けて使うカメラタイプのものまで各種ある。
- 双眼鏡 基本的にはフィールドスコープを2つ並べて立体視できるようにしたものと考えて良いが、天体望遠鏡を2つ並べて、天体を見る事を前提に作られたものもある（双眼望遠鏡と呼ぶ事が多い）。
- 電波望遠鏡 宇宙からやってくる微弱な電波を捉える望遠鏡。多くはパラボラアンテナの形をしている。
- 宇宙望遠鏡 軌道上に打ち上げられた望遠鏡。地球大気による電磁波の吸収や像の揺らぎがない。
[編集] 研究観測で利用している望遠鏡の例
- すばる望遠鏡（国立天文台、マウナケア天文台群）
- ハッブル宇宙望遠鏡(アメリカ航空宇宙局、宇宙望遠鏡研究所）
- ALMA（国立天文台、アメリカ国立電波天文台、ヨーロッパ南天天文台）
- スーパーカミオカンデ（東京大学宇宙線研究所）
- TAMA300（国立天文台）
近年の傾向として、研究用望遠鏡は大型化が進んでいる。全宇宙には1000億を超える銀河があり、その各々の銀河には、1000億から1兆もの太陽と同じ恒星が含まれている。遠い天体では、100億光年以上の距離があり、近い銀河でも16万光年〜20万光年（大マゼラン星雲・小マゼラン星雲）もの距離がある[1]。多くの銀河をサーベイして、突発天体現象を捉えたり、銀河の距離を求めたり、太陽系に存在するエッジワース・カイパーベルト天体や準惑星(英：Dwarf Planet)を観測[2] するなどの用途では、非常に微弱な光を捉えて、正確かつ精密な観測が必要になったことが望遠鏡の大型化の理由である。
研究用望遠鏡の場合には、過去は国家プロジェクトとして、近年は国際プロジェクトとして行われているため、大型化する傾向になっているともいえる。上記の他にIRASやWMAP、さらには惑星探査機や国際宇宙ステーションで予定されている観測なども研究用望遠鏡の区分に入ることになる。また、マウナケア天文台群やヨーロッパ南天天文台なども、国際プロジェクトとして計画され、運用が行われている望遠鏡群である。
VSOP-Ⅱ計画やジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、TPF(Terrestrial Planet Finder)など今後の宇宙望遠鏡計画や惑星探査計画は、より国際性の高いプロジェクトとして行われることが予想されている。
[編集] 研究観測以外で一般観望にも用いられている望遠鏡の例
- なゆた望遠鏡（有効口径200センチ）。西はりま天文台にて観測運用が行われている。
- 150センチ反射式望遠鏡（有効口径150センチ）。群馬県立ぐんま天文台に観測運用が行われている。
- 6連式太陽望遠鏡。川口市立科学館にて観測運用が行われている。
- 105センチ反射式望遠鏡（有効口径105センチ）。石垣島天文台にて観測運用が行われている。
公開天文台[3]では、多くの場合15㎝～25㎝口径の屈折式望遠鏡、もしくは、30㎝～60㎝口径の反射式望遠鏡が多い。このくらいの口径だと、観望会などにおいて観察対象となる太陽（太陽黒点・日食）・月（月面のクレータ・月食）・惑星（金星・火星・木星・土星）・メシエ天体などの観察に適しており、比較的低コストで導入が可能なため、多くの公開天文台では導入が行われている。比較的大型の望遠鏡を持つ公開天文台は、研究観測なども行われている[4]。
また、私費により建設された公開天文台や企業がメセナ活動として支援して出来た天文台などもある。
学校教育用として固定されている望遠鏡としては、上にあげた15㎝口径の屈折望遠鏡が主流である。教育学部等で用いられている望遠鏡としては、40㎝～65㎝口径の反射式望遠鏡が多い。大型の観測施設を保有する私立学校などもある。
近年開設された公開天文台の望遠鏡にも、「冷却CCDカメラ（他には、スーパーハープ管[5]を搭載したカメラがあるけれど、公開天文台では採用例が無い）」や「エシェル分光器（高分散分光器）」、「マグネトログラフ（太陽表面の磁場活動を可視化する装置）」などの高度な機器が搭載され、観察のみならず観測が可能になっている。また、各公開天文台毎に、特色のある機器が搭載されていることもある。 これらの天文台では研究分析用にも優れた観測データを提供している。
[編集] アマチュア向け望遠鏡
ここで、「アマチュア向け」とは、一般の個人が趣味のために所有する物と定義する[6]。
[編集] 鏡筒について
屈折式望遠鏡は口径5㎝～15㎝程度、反射式望遠鏡（カタディオプトリック式含む）は口径10㎝～40㎝程度が主流である[7]。
[編集] 屈折式
対物レンズの形式により、アクロマート、アポクロマート、セミアポクロマートの三種に大別される[8][9]。
1.アクロマート
昔から存在する形式である。昔は高級品も存在したが、現在では主に入門機用である。
2.アポクロマート
中級からハイエンド向けまで[10]。 現在アポクロマートという名称で販売されているほとんどは、2枚玉～4枚玉[11]のED[12]アポクロマートまたはフローライトアポクロマートである[13]。
3.セミアポクロマート
70年代に製造が盛んであったが、80年代にEDアポクロマート等が登場[14]した後、一旦消滅してしまった。近年、新たな硝材を使用することにより再登場している。
[編集] 反射式及びカタディオプトリック式
市場で流通している主な物は、ニュートン式、ドールカーカム、シュミットカセグレン、マクストフカセグレン、マクストフニュートン、そして各メーカー独自のデザイン（イプシロン式、リッチークレチアンの変型等）である。カセグレンは、形式は有名であるが、製造困難なため実際にはほとんど作られていない[15]。
1.ニュートン式
古今通じて、反射式を代表する形式である。放物面鏡と平面鏡の組み合わせというシンプルな造りで、大口径の物や高精度の物を作りやすい[16]。
なお、接眼部が鏡筒の上部にある形状のため、誤って鏡筒を上下逆さまに（鏡筒を地面を向けて）設置している写真が数多く見られる。望遠鏡の接眼部は鏡筒下部に付いている物という先入観があるためである[17]。
2.ドールカーカム
カセグレンの最大の問題は、副鏡に製造困難な双曲面を使うことである（このため製造だけでなく、さらに組立まで困難となる）。 そこで、副鏡に球面鏡を採用したのがドールカーカムである（この場合、球面収差を消すために主鏡に楕円面を採用することになる）。 ただし、コマ収差がカセグレンより大きいという欠点がある。
3.シュミットカセグレン[18]
副鏡と主鏡共にに球面鏡を採用し[19]、それだと当然球面収差が生じるので、それを除去するために補正板を加えたのがシュミットカセグレンである。
補正板の量産化に成功したメーカーから、安価で大口径な物が供給されている。現在最大のシェアを占める形式と言われる。
4.マクストフカセグレン、マクストフニュートン
シュミット補正板は一部メーカーにより量産化に成功しているとはいえ、複雑な非球面になっており誰でも簡単に作れる物ではない。そこで補正板の代わりにメニスカスレンズを採用した物がマクストフカセグレンないしマクストフニュートンである。
もっともメニスカスレンズは製造は容易といっても、厚い硝材を必要とし高価になるために従来はあまり作られていなかった。そこへ硝材の安いロシアで作られた物が登場し、それ以来市場において有力な存在となった。
5.その他の形式 ビクセンのVISAC、VMC、高橋製作所のイプシロンが有名である。
[編集] 架台について
過去においては、架台は各鏡筒専用に用意されるものであった。しかし、70年代後半頃から鏡筒の取り替えが可能な架台が作られるようになった。このような架台はシステム型架台と呼ばれる[20]。
また、当初は各メーカーばらばらだった鏡筒と架台との取付方式が、近年では一定程度共通化され、メーカーの異なる鏡筒と架台との相互の取り替えが比較的自由になっている[21]。
[編集] 経緯台
過去においては専ら初心者用であったが、近年コンピュータコントロールによる自動追尾・自動導入が可能になってから高級機にも採用されるようになった。システム型になっている物もあるが、架台の形状の関係から専用型架台とする物も多い。
[編集] 赤道儀
大部分がドイツ式である。[22]。また、そのほとんどはシステム型である。
[編集] 関連項目
[編集] 光学の要素技術
[編集] 参考文献
- 小林浩一、光の物理、東京大学出版会、2001
- 吉田正太郎、天文アマチュアのための「新版屈折望遠鏡光学入門」、誠文堂新光社、2005
- 吉田正太郎、天文アマチュアのための「新版反射式望遠鏡光学入門」、誠文堂新光社、2005
- 日本物理学会編、宇宙を見る新しい目、日本評論社、2004
[編集] 脚注
- ^ 銀河系のハローに含まれる球状星団ですら、最も近いものでも1.25万光年の距離に達する。
- ^ 観察と観測の違いについて。観察とは、時間をかけてある対象物を見ることによって、観察対象物の性質や状態の変化を記録することである。観測とは、ある対象物の性質や状態を測定して記録することである。前者が絵や言葉などで記録されるものに対して、後者は数値データとして記録される点が、近代科学と現代科学の違いとも言える。
- ^ 地方自治体が運営するものが多い。国立法人運営（国立科学博物館）や財団運営、私設のものもある。
- ^ 生涯教育・社会人教育として一般公開を前提にして運営が行われているが、研究観測によって得られた成果を下にして、大学教育を実施している天文台もある。
- ^ 光電子倍増効果を利用した低照度・高解像度カメラ。ナイトビジョンと同じ原理。更には、マイクロチャンネルプレートを搭載したものもある。
- ^ 解説は、専らメーカー品を念頭に置いているが、自作品、特注品を排除する趣旨ではない（将来の課題）。ただし、いわゆるトイグレード(Toy Grade）の製品群は、ここでの解説の射程外としたい。
- ^ もちろんこれより大きな望遠鏡を有している人は少なくない。また、何をもって主流というかは難しい問題である。たとえば近時2.5cmの屈折望遠鏡が発売され、販売量だけならば相当数流通しているであろう。しかし、販売の主流にあるという表現をとるのは時期尚早にも思えるため、本文のような表記にした。
- ^ 解説書には、屈折望遠鏡の型式として、まずケプラー式とガリレオ式という分類が紹介される。しかし、実際に屈折望遠鏡として市販されているのはケプラー式である。
- ^ アクロマートやアポクロマートは学術用語であるが、セミアポクロマートという言葉はなく、あくまで商業上の用語に過ぎない（言葉の定義に従えば、セミアポクロマートとはアクロマートと呼ぶべき）。しかし、アマチュア向け望遠鏡において現実に使われている言葉の用法を重視し、本文のような分類とした。
- ^ 特に最高級機の購買層からの需要が強く、またメーカによる市場競争も激しい。
- ^ 2枚のレンズで構成されている物を2枚玉、3枚の場合は3枚玉という。
- ^ 現在EDという呼称で望遠鏡に使われている硝材として主なものに、（株）オハラのS-FPL51、S-FPL53、ロシアLZOS社（Lytkarino Optical Glass Factory）のOK-4がある。なおS-FPL53やOK-4は、SDないしSuper EDとも呼ばれる。
- ^ アポクロマートの光学設計としては3枚玉設計の物が、望遠鏡の解説書に良く紹介されているため知名度は高い。しかしこれは実際には市場にほとんど存在せず、EDアポクロマート等の登場以後は皆無と言って良い。EDアポクロマート等と比較して製造・性能上のメリットがないからである。もっとも、米国アストロフィジクス社（Astro-Physics）のローランド・クリステン（Roland Cｄhristen）の設計による、EDを使用しないアポクロマート製品群が存在した。
- ^ 正確に言うと登場は70年代であるが、目立って登場するようになったのは80年代からなのでここでは80年代と記した。
- ^ 横からのぞく形状の物に対しては「～ニュートン」、屈折式のように後ろからのぞく形状の物に対しては「～カセグレン」と名付けられることが多い。
- ^ しかし大口径の購買層はシュミットカセグレンへ、高価格品の購買層はアポクロマートへ流れて、さらにマクストフ系等の登場も重なり、ニュートン式の需要はすっかり小さくなってしまった。現に、メーカーのラインナップから、ニュートン式は相当消えている。
- ^ 失笑を買う行為である。
- ^ シュミットニュートンもある。もっとも、マクストフニュートンほどメジャーな存在ではないこと及びライトシュミット等の類似光学系をさらに区別して扱うべきか否か等の検討すべき問題があり、本文では割愛した。
- ^ ただし実際に作られている物は球面ではないという話がある。
- ^ もっとも近年では当たり前の方式なので、「システム型」はもはや死語であろう。ただ本稿では説明の便宜のため、この用語を用いている。
- ^ 多数あった望遠鏡メーカーの老舗が消え、新しく参入したメーカーが既存の有力メーカーの取付形式を採用したのも一要因といえる。
- ^ シュミットカセグレン等鏡筒の短い望遠鏡用としてフォーク式赤道儀も一時期は多かった。もっとも、市販されていたフォーク式赤道儀は「ウェッジ」という部品を外せば経緯台に変身するように作られていたところ、上記のように架台がコンピュータ化されたため赤道儀を採用する必要性が少なくなり、現在では、「ウェッジ」はオプション扱いとされ、フォーク式経緯台という扱いで売られている。
- ^ 主に淡い光を捉えて、その光のエネルギーによって生じる光電効果を活用して、電極から生じる電子を増幅して像を鮮明に捉える装置のこと。撮像管を数段並べて、電子を加速すれば作れる装置である。なお、マイクロチャンネルプレートとは、電極間に小さな光を通る穴を開けて、そこへ照射されるフォトンによって生じる光電子効果を増幅させる装置である。
- ^ すだれコリメータは、日本の技術試験衛星によって、初めて搭載された純国産のエックス線観測装置である。エックス線のシャワーによって生じる電子の流れがすだれ状になるためにその名がある。難点は、装置を駆動するために高い電位が必要なことである。マイクロカロリーメータは、超伝導薄膜技術によって開発されたセンサーであり、超伝導技術を用いているために、超低温（液体ヘリウムもしくはネオン冷却装置を使用。温度にして、-270℃=3K程度）が必要とされる。なお、赤外線観測でも、同じように超低温を用いてCCDイメージセンサを冷却するが、これは装置自身の熱雑音を減らして、精度の高い観測を行うために必要とされているからである。
[編集] 外部リンク
