学習目標
このセクションの終わりには、次のことができるようになります。
- 天体からの放射線を測定する現代のシステムの 3 つの基本的な構成要素を説明する
- 望遠鏡の主な機能を説明する
- 可視光望遠鏡の 2 つの基本タイプとその画像の形成方法
放射線測定のシステム
天体からの放射線測定を行う現代のシステムには 3 つの基本コンポーネントが存在します。 まず、望遠鏡があります。これは、可視光線 (または図 1 に示すように、他の波長の放射線) を集めるための「バケツ」の役割を果たします。 コーヒーカップよりゴミ箱の方が雨をたくさんキャッチできるように、大きな望遠鏡は目では見えないほどたくさんの光を集めることができるのです。 次に、望遠鏡には、入射した光を波長ごとに分類する装置が取り付けられています。 仕分けはかなり雑に行われることもある。 例えば、星の温度を知るために、青い光と赤い光を分けたいだけかもしれません。 また、「放射線とスペクトル」の章で説明したように、個々のスペクトル線を見て、物体が何でできているのかを判断したり、物体の速度を測定したりすることもあります。
図1: 波長の違いによるオリオン領域。 スペクトルの異なる帯域に感度のある観測装置で観測すると、空の同じ部分が違って見える。 (a)可視光：人間の目で見たオリオン座の一部を示しており、神話の狩人オリオンの姿を点線で表している。 (b)X線：近くにある点状のX線源を強調して表示しています。 色は人工的なもので、X線のエネルギーが大きくなるにつれて、黄色、白、青と変化していく。 オリオン座の明るく熱い星はこの画像にも写っているが、他の星や星の死骸、観測可能な宇宙の果てにある銀河など、全く異なる距離にある多くの天体も写っている。 (c)赤外線：ここでは、主にこの領域にある光る塵を見ることができる。 (credit a: modification of work by Howard McCallon/NASA/IRAS; credit b: modification of work by Howard McCallon/NASA/IRAS; credit c: modification of work by Michael F. Corcoran)
天体望遠鏡開発の歴史は、望遠鏡、波長選別装置、検出器の三つの基本コンポーネントの効率を高めるために新しい技術がいかに適用されてきたかということに尽きます。
多くの古代文化は、天空を観察するための特別な場所を作りました（図2）。 このような天文台では、天体の位置を測定することができ、主に時刻や日付を把握することができた。 また、宗教的・儀礼的な意味合いを持つものも多い。
図2: 2つの望遠鏡以前の天文台。 (a)マチュピチュはペルーにある15世紀のインカ帝国の遺跡である。 (b)イギリスにある先史時代（紀元前3000年〜2000年）の遺跡ストーンヘンジ。 (クレジット a: Allard Schmidt による作品の改変)
望遠鏡の発明は 1608 年頃で、Hans Lippershey、Zaccharias Janssen、および Jacob Metius がそれぞれ数週間で特許を申請したとされていますが、1610 年にこのレンズ付きの単純な筒 (彼はスパイグラスと呼びました) で空を観察して、目よりも多くの光を収集したのは Galileo だったのです。
望遠鏡の仕組み
望遠鏡は、ガリレオの時代から大きく進歩しました。 最も高価なものでも数億円から数十億円もします。 最も高価なものは、数億ドルから数十億ドルかかります (ただし、参考までに、大学のフットボール スタジアムの改修には通常数億ドルかかり、最近の最も高価な改修は、テキサス A&M 大学のカイル フィールドで、4 億 5000 万ドルかかりました)。 天文学者がより大きな望遠鏡を作り続ける理由は、惑星、星、銀河などの天体が、人間の目（小さな穴）では捉えきれないほどの光を地球に送ってくるからで、大きな望遠鏡はより暗い天体を検出することができるのです。 友達と一緒に星を見たことがある人ならわかると思いますが、星の光はたくさんあり、一人一人がそれぞれの星を見ることができるのです。 さらに1000人の人が見ていれば、それぞれの星の光を少しずつ受け止めることができます。 しかし、あなたの目には映らない光は、あなたにとっては無駄な光なのです。 この「無駄な光」の一部でも、捕まえて目に届けることができれば最高です。
望遠鏡の最も重要な機能は、（1）天体からの微光を集めること、（2）すべての光を点または像に集中させることです。 天文学者が関心を寄せる天体の多くは非常に暗いので、より多くの光を集めることができれば、そのような天体をよりよく研究することができるのです。 (
可視光線を集める望遠鏡は、レンズや鏡を使って光を集めます。
可視光を集める望遠鏡では、レンズや鏡を使って光を集めますが、他の種類の望遠鏡では、私たちがよく知っているレンズや鏡とはまったく異なる集光装置を使うことがありますが、同じような機能を果たします。 どのタイプの望遠鏡でも、光を集める能力は、光を集める “バケツ “の役割を果たす装置の面積で決まります。
望遠鏡が集めることのできる光の量は、開口部の大きさとともに増加します。 A telescope with a mirror that is 4 meters in diameter can collect 16 times as much light as a telescope that is 1 meter in diameter. (The diameter is squared because the area of a circle equals πd2/4, where d is the diameter of the circle.)
Example 1: Calculating the Light-Collecting Area
What is the area of a 1-m diameter telescope? A 4-m diameter one?
Check Your Learning
Show that the ratio of the two areas is 16:1.
望遠鏡が像を形成した後、それを検出し記録する何らかの方法が必要で、それによって像をさまざまに測定、再現、および分析することができるのです。 19世紀以前の天文学者は、ただ目で見て、見たものを記述していました。
19世紀には、写真撮影が普及しました。
19世紀に、写真の使用が普及しました。当時、写真は、特別に処理されたガラス板上の画像を化学的に記録したものでした。 現在では、デジタルカメラのようなセンサーで画像を検出し、電子的に記録し、コンピューターに保存するのが一般的です。 この永久記録は、詳細かつ定量的な研究に利用することができる。
レンズや鏡による像の形成
図3: 単純なレンズによる像の形成。
メガネをかけているかどうかに関係なく、あなたはレンズを通して世界を見ています。 レンズは透明な素材で、そこを通る光線を曲げます。 光線が平行に入射する場合、レンズは光線を一カ所に集め、像を形成します（図3）。 レンズ表面の曲率がちょうどよい場合、平行なすべての光線（例えば、星からの光）は、レンズの焦点と呼ばれる一点に向かって収束するように曲げられ、または屈折させられる。 このとき、光源の像が浮かび上がります。
図3を見て、なぜ同じ星からの2本の光線が互いに平行になるのか、と思われるかもしれません。 なにしろ、星が四方八方に輝いている絵を描くと、星から出る光線はまったく平行に見えません。 しかし、星（や他の天体）はどれも非常に遠いところにあることを忘れてはいけません。 私たちに向けられたわずかな光線も、実際に地球に届くころには、平行になっているのです。
望遠鏡のレンズで作られた像を見るために、私たちは接眼レンズと呼ばれる追加のレンズを使用します。
望遠鏡のレンズが作る像を見るには、接眼レンズというレンズを使います。接眼レンズは、人間が直接見ることができる距離、あるいは検出器にとって都合のよい距離に像を合わせます。 接眼レンズを使い分けることで、像の倍率（大きさ）を変えたり、光をより見やすいところに向けたりすることができます。
望遠鏡というと、大きなガラスレンズがついた長い筒を思い浮かべる人が多いと思います。 これまで述べてきたように、レンズを主な光学要素として像を結ぶこの設計は屈折式と呼ばれ（図4）、この設計に基づく望遠鏡は屈折式望遠鏡と呼ばれます。 ガリレオの望遠鏡も屈折式であり、今日の双眼鏡やフィールドグラスと同じである。 しかし、屈折式望遠鏡の大きさには限界がある。 過去最大のものは1900年のパリ万博のために作られた49インチの屈折式で、万博後に解体された。
屈折望遠鏡の 1 つの問題は、光が屈折望遠鏡のレンズを通過しなければならないことです。 つまり、ガラスはずっと完璧でなければならず、キズや気泡のない大きなガラスを作るのは非常に困難であることが証明されています。 また、透明な素材は光の波長（色）によって光学特性が少しずつ変化するため、色収差と呼ばれる歪みが加わります。
さらに、光はレンズを通らなければならないので、レンズはその縁でしか支えられません (ちょうどメガネのフレームのようなものです)。
さらに、光はレンズを通らなければならないので、レンズは（メガネのフレームと同じように）縁の部分しか支えられません。大きなレンズは重力の力でたわみ、光線が通るときにその経路を歪めてしまいます。
別のタイプの望遠鏡は、主な光学要素として凹面鏡を使用します。
別のタイプの望遠鏡では、主鏡と呼ばれる凹面鏡を主な光学素子として使っている。 望遠鏡の鏡は、反射率を高めるために、銀やアルミニウム、時には金など、光沢のある金属でコーティングされているのが一般的だ。 鏡の形状が適切であれば、平行光線はすべて鏡の焦点である同じ点に反射されます。
鏡を使って設計された望遠鏡は、屈折式望遠鏡の問題を回避することができます。 光は前面からのみ反射されるため、ガラス内のキズや気泡が光の経路に影響を与えることはないのです。 鏡を使って設計された望遠鏡は、前面だけを精密に加工すればよく、鏡は背面から支えることができる。 このような理由から、現在、アマチュア、プロを問わず、ほとんどの天体望遠鏡はレンズではなく鏡を使って像を結んでおり、このような望遠鏡を反射望遠鏡と呼んでいる。
反射望遠鏡では、凹面鏡は管または開いた枠組みの底に置かれます。
反射望遠鏡では、凹面鏡が筒や開いた枠組みの底に置かれ、鏡が光を反射して筒の上に戻り、主焦点と呼ばれる場所の前端近くに像を結びます。 主焦点で像を観察することもできるが、さらに鏡で光を遮り、観察者が見やすい位置に移動させることもできる（図5）。
自分の望遠鏡を選ぶ
受講中の天文学の講座で、空をもっと見てみたいという欲求が高まったら、自分の望遠鏡を買おうと思うかもしれませんね。 多くの優れたアマチュア望遠鏡が販売されていますが、自分のニーズに合った最適なモデルを見つけるには、ある程度の調査が必要です。 個人用の望遠鏡に関する情報源としては、アマチュア天文家向けの米国の人気雑誌2誌があります。 スカイ& テレスコープとアストロノミーです。
どの望遠鏡が自分に合っているかを決定する要因のいくつかは、あなたの好みによって決まります:
- 望遠鏡を一箇所に設置してそこに置いておくのか、それとも携帯して屋外に持ち出せるような機器がいいのか。 サイズと重量の点で、どの程度ポータブルであるべきでしょうか。
- 目だけで空を観察したいですか、それとも写真を撮りたいですか (たとえば長時間露出写真には、地球の自転を補正するために望遠鏡を回す良いクロック ドライブが必要です)
- どのような天体を観察しますか。 彗星、惑星、星団、銀河などに主に興味があるのか、それともあらゆる天体を観察したいのか。
これらの質問のうちいくつかは、まだ答えがわからないかもしれません。 そのため、まずはいくつかの望遠鏡を「試しに使ってみる」のもよいでしょう。 ほとんどの地域にはアマチュア天文クラブがあり、一般に公開されるスターパーティを主催しています。 そのようなクラブの会員は、望遠鏡についてよく知っていることが多く、そのアイデアを教えてもらうことができます。 また、近くのクラブを探すには、付録 B で提案されている Web サイトを使用します。
さらに、自宅にすでに望遠鏡のような機器がある (または親戚や友人を通じて入手できる) かもしれません。
さらに、望遠鏡のような機器をすでに家に持っている（あるいは親戚や友人を通じて入手できる）かもしれません。多くのアマチュア天文家は、空の調査を良い双眼鏡から始めることを勧めています。
望遠鏡を購入する準備ができたら、次のようなアイデアを参考にしてみてください。
望遠鏡は、天体からの微光を集め、焦点まで持っていきます。 その後、光は検出器に導かれ、そこで永久的な記録がなされます。 望遠鏡の集光力は、開口部の直径、つまり一番大きな主レンズや鏡の面積によって決まる。 望遠鏡の主な光学部品は、凸レンズ（屈折式望遠鏡）または凹面鏡（反射式望遠鏡）で、光を焦点に結びつけます。 大型望遠鏡のほとんどは反射鏡で、光がガラスを通らないため、大きな鏡の製造やサポートが容易である。
用語集
開口部: 望遠鏡の主レンズまたは鏡の直径
色収差: 透明な材料に入る各波長が異なる場所に焦点を結ぶとき、画像がぼやけて見える原因となる歪み
検出器: 透明な材料に入る波長と、それを検出するために使用する光学部品。 天体観測の記録をとる電磁波に敏感な装置
接眼レンズ: 望遠鏡の対物レンズや主鏡が作る像を見るために使う拡大レンズ
焦点: (望遠鏡の)鏡やレンズによって収束した光線が集まる場所
主焦点: 対物レンズや主鏡が光を集める望遠鏡の点
反射望遠鏡: 主な集光装置が凹面鏡である望遠鏡
屈折望遠鏡: 主な集光装置がレンズまたはレンズ群である望遠鏡
望遠鏡: 可視光または他の電磁放射を集める機器
望遠鏡: 光学機器
望遠鏡: 光を収集するための機器p