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02太陽 

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5. 太陽光の分光

 

 

(1) NDフィルターを利用した太陽の観察

 

 ここでは、NDフィルターという光を弱めるフィルターを使って、太陽を見ると何が見えるのかを説明します。

 

@ NDフィルター

 

 

image002

カラーフィルターは

白い太陽の光を入れると、

 

Rは赤い光だけ

Yは黄いろい光だけ

 

が出てきます。

 

ところが、ちょっと変わったフィルターがあります。それが、NDフィルターです。

image004

 

左からND4, ND8, ND16です。

 

このフィルターは光を篩(ふるい)にかけるのではなく、どの色の光も均一に弱めます。

ND41/4ND81/8ND161/16だけ光を通します。

image006

これは、ND D5 です。

105乗分の1、つまり、

1/100,000だけしか光を通さないので、アルミフォイルや鏡のように見えます。

NDというのはneutral dencityで、どの波長の光にも中立であるという意味です。

 

 

 

A光球

 NDフィルターを使用して太陽を撮影します。そこで写るものが光球と呼ばれているものです。

しかし、ちょっと待ってください。これも、かなり危険な行為ですので、次の注意を先ず読んでください。

 

(注意) 望遠鏡だけではなく、ファインダーにも必ずフィルターを付けるか以下のような太陽専用ファインダーを使用してください。

 

工夫1. ピンホール投影式ファインダー

 

image008

 望遠鏡の鏡筒に穴を開け、そこに、ステンレスの板を張り付けます。その板の前後に、L字金具を取り付けます。

 先端の板に取り付けたスチロールの板には、約1mm径の穴があけてあります。

image010

 その穴からスクリーンになるもう一枚の板に、太陽の像を、針穴写真機の原理で投影して、鏡筒を太陽にむけます。

 

 LUNTなどの太陽専用望遠鏡メーカーはこの方式です。しかし、この方法は鏡筒とファインダーの光軸合わせが面倒です。観測スぺースがあり、観測機材を組み立てたままにしておける方には、LUNTの太陽専用望遠鏡ならば、鏡筒からファインダーを取り外す機会は少ないと思いますので、この方式で済むと思います。しかし、拙宅のように観測ドームがないため、洗濯物を干すスペースと天体観測スペースが共用になっているところでは、観測が終わる度に毎回、分解して収納することになります。また、フィルターの種類によっては、夜間用の鏡筒と、太陽観測用の鏡筒を共用する必要もあります。このためには、ファインダーを着脱できた方が便利です。そこで、作ったのが次のファインダーです。

 

 

 

工夫2 レンズを使った投影式ファインダー

  

image012

 50mmφの茶筒の蓋の中心に、1mmφの穴を開けて、裏側に99%紫外線をカットするフィルターが貼ってあります。これがフィルター兼絞です。これがないと、スクリーンが融けたり、燃えたりします。

 

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 この瞳径は、明るいところでの人の瞳径とほぼ同じです。また、貼り付けたフィルターで光量を紫外線が1/100、可視光線が3/10に減光しています。太陽の投影にはこの絞り兼フィルターを対物レンズの前に装着し、月、金星などでは取り外して使っています。

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 絞とフィルターを通った光を、レンズでスクリーンに投影します。太陽だけのためなら、少し視野が狭くなりますがこのレンズは不要です。月、金星、木星などファインダーでは目を傷める天体にも使用する方には、このレンズが必要です。

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 絞り兼フィルターなしで、スクリーンの焦点を合わせますが、この時使用するのは、太陽ではなく、遠くの景色です。1Kmとか2Km離れた建物など角がはっきりしたわかり易いもので焦点を決めます。夜はこの状態で月や金星などに使えます。

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 対物レンズの前に絞り兼フィルターを取り付けて太陽ファインダーの完成です。外径50mmφに作ってありますので、50mmφのファインダー脚を使って鏡筒に取り付けられます。夜間用と台座を共用できますので便利です。

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このように投影できますので、光軸あわせはファインダー脚の調整ネジでできます。大変視界が広いファインダーですので、全く太陽の方向に顔を向けないで導入をしています。

 

工夫3. カメラのファインダーやディスプレイを見ない工夫

 

 さらに、焦点や露出を合わせる時も、カメラのファインダーやディスプレイを見ると、目に太陽が入る機会が増加します。カメラは鏡筒の接眼部に接続されていますので、さらにその後ろに自分が立つことになるからです。そのため、こんなものを使っています。

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テレビの前にフードを取り付けたもので、カメラと接続して使用しています。カメラのディスプレイに投影するのではなく、このテレビに投影して、焦点を合わせたり、シャッタースピードを合わせたりします。

 

 アイピース(接眼レンズ)での観察を、殆どの方が望まれます。しかし、私はお勧めしませんし、自分では殆どアイピースで太陽を見ることはしていません。理由は、太陽の光源が水素の核融合であるためです。水素爆弾の連続爆発を望遠鏡で見ているのと同じか、1/3000秒の爆弾より観察する時間が長いという意味では、ずっと危険なものであると思っています。あらゆる放射線が反射鏡やレンズで収束して光とともに目に入ってきます。いや、X線などの放射線は、目から脳を貫通します。こうした放射線に対しては、多分NDフィルターは殆ど効力がありません。レントゲン室にあるような分厚い鉛のフィルターで遮蔽しないといけませんが、そんなことをしたら、今度は光が届かなくなり、何も見えなくなります。

 放射線の被爆は、その場では何も起きません、何年もしてから腫瘍や癌などが発症しますが、望遠鏡のアイピースを覗いたこととの因果関係を立証することが困難な時間を経過してからですので、とても怖い話です。

 紫外線や赤外線の影響も、数日とか数週間とかしてから、徐々に起きます。眼底に色素が増えたり、水晶体が濁ったり、これも、少しづつ起きますので、老化による白内障などとの区別はおそらく付けられないのではないかと思います。

 

 

さて、十分な対策の後にND D5 (=1/100,000)のフィルターで太陽を撮影します。

 

image026

 すると、こんなテニスボールのような白い球が写ります。太陽の白い光の大部分はこの光球から出ています。この日は黒点がなくきれいな光球が写りました。

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 たいていは、光球の表面に、白いシミのようなものや黒いほくろのようなもの、が写ります。これが白斑と黒点です。

image030

 見えない太陽の内部構造

 

 太陽は、この図のような構造になっていると考えられていますが、中は見えません。光球があまりにもまぶしすぎるためです。

 地球についても同様で、穴やトンネルを掘ったり、鉱石の採掘のために坑道を掘って入っていったり、石油を掘るなどの目的でボーリングをしますが、ごく浅いところにしか届きません。そこで、地球では、地震の起きたときに地震波が到達する時間や方向、波形を観測したり、宇宙から来るニュートリノなどでレントゲン写真のようなものを写して、内部構造を推定しています。

 太陽でも同様で、太陽の表面に現れる振動である日震(太陽の地震)や太陽を貫通してくるニュートリノなどを調べて内部を推定しています。つまり、上の光球の写真から下はどうなっているのか、すべて今のところ推定したものにすぎません。興味のある方は日振学という研究分野を勉強されるとよいでしょう。

 

(1)

 理科年表、天文、太陽の内部構造には、深さに応じた密度の違いが、表にして掲載されています。また、理科年表のインターネット(上記リンク)版には概略の説明もついています。

 ウイキペディアの太陽の構造も参考になります。

 

 

 さて、その光球を写すのがNDフィルターです。地球から見て見える一番深い底である光球を、NDフィルターで写すと、白斑、黒点など写るものがありますので、それを見てみることにしましょう。

 

 

 

 

B太陽の白斑

 

image032

image034

2015/10/14 太陽の西の白斑

2015/10/14 太陽の東の白斑

 

 

20151019-14ND-1102-45-8flames-w-1t

20151019-14ND-1102-45-8flames-w-1t2

2015/10/19 太陽の西の白斑

2015/10/19 太陽の東の白斑

 

(2)太陽面(日面)の東西については、日面座標について説明するときに後述します。経度Longitudeの東西と、日面中央経度差CMDの東西が逆になります。

 

 4枚の写真は太陽の光球の外周に近いところのものです。白斑、つまり、周りよりも白く見えるところが写っています。この写真のように、白斑は、光球の外周に近いところでよく見かけます。めったに、光球の中央部分には見えません。

image037

このことから、光球の表面は、深いところが温度が高くて強く輝いていて、浅いところは少し温度が低くて少し暗く、下の方から来る光を遮り、うっすらと影を落としていると考えられます。

天岩戸は月の影でしたが、白斑は低温部の影が一部薄くなっているところです。

 

(3) 理科年表の太陽の外層の構造によると

 光球は深いところで7,900°K、一番浅いところで4,400°Kで随分温度差があります。

 

 

 

 

C太陽のグラニュール

 

 光球の表層の低温部の影を、もっと拡大して観察してみましょう。

 

image038

image039

拡大した光球の表層

ツブツブしたものが見えます。ご飯を炊いているお釜の中のようです。

拡大した表層の反転写真

白黒を反転すると、このようなものです。

この灰色のものが影(シルエット)を落としてグラニュールが見えています。

 これを、粒状斑(solar granule ソーラーグラニュール)と呼びます。日本ではgrainは飯粒、欧米では穀物、麦、オートミールなどなどのようなものという意味です。グラニュー糖(granule sugar)はよくご存じのとおり、穀物の粒のような砂糖です。そして、この写真が太陽のグラニュールの写真です。

 

(4) このグラニュールは、NDフィルターで写した光球表層のグラニュールです。後に述べるCaK線のグラニューとは別のものと考えられます。

 

 

 

 

D太陽の黒点

 

 

 

黒点の大きさですが、

image040

地球よりも大きいものがいくらでもあります。

(↑この写真はクリックすると拡大します)

ブラウザーの戻るボタンをクリックすると、ここに戻ります。

 

 

 

 

 暗部と半暗部

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2013/05/12 の黒点です。

黒いところを暗部と言います。

その周りの灰色のところが半暗部です。

半暗部は少し窪んでいます。

その周りには白斑があります。

 

双極性の黒点

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2013/05/14

上の黒点がこんな形になりました。

このように2つの黒点が、ペアになって現れることが良くあります。

磁石のN極とS極のペアです。

 

円形の白斑を伴った黒点

image046 

2013/06/22

黒点の周囲に円形の白斑を伴った黒点です。

この丸い白斑から丸くフレアが上がったりします。

 

黒点群

 

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2015/10/19

このような黒点のいくつも集まったものを、黒点群と呼びます。比較的大きくて半暗部のある黒点や、小さくて半暗部の無い黒点などからできています。

 

巨大黒点

image050

こんなに巨大な黒点も、たまにですが現れます。 朝日や夕日の中に肉眼で見えることもあり、肉眼黒点とか眼視黒点とかいった呼び方をする人もいます。

 

(5) 大きな黒点については、1. (3) 八咫烏(やあたのからす)も参照してください。

 

(6) 黒点の分類方法などは、理科年表や天文年鑑に詳しく出ていますので、必要に応じて参照してください。

 

 

 

E太陽の自転

黒点が見えるときに、その動きを観察すると、太陽の自転速度が測れます。

image052

11/14 (1日目) 

左下に黒点群が出てきました。

image054

11/15 (2日目)

少し右上に向かって、

黒点群が移動しました。

 

 

 2014/11/16  欠測

11/16 (3日目)

 

 

image056

11/17 (4日目)

右上に移動しているのが

かなりはっきりしてきました。

image058

11/18 (5日目)

 

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11/19 (6日目)

まだ、中央より左にあります

 

 

 2014/11/20  欠測

11/20 (7日目)

黒点群は出てきてから6日目に

中央を通過しました。

 

 

image062

11/21 (8日目)

黒点群は中央より右にあります。

image064

11/22 (9日目)

 

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11/23 (10日目)

 

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11/24 (11日目)

 

 

 

2014/11/25  欠測

11/25 (12日目)

 

 

2014/11/26  欠測

11/26 (13日目)

 

 

 以上の写真からは、黒点群は12日目か13日目に右端に達したと思われます。

 

つまり、90°進むのに67日ですので、約2428日で一周です。 もう少し、丁寧に観測していると、次のようになります。日本では、なかなか、晴天が続きませんので、毎日、毎日観測するのは大変です。真夏や真冬の晴天の多い時には、暑かったり、寒かったりでこれがまた大変です。 暇と、根気のある方は挑戦してみてください。

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 地球や火星には固体の地殻がありますので、自転しているのは簡単にわかりますが、太陽は分子やプラズマがガスの様に流れていますので、その自転を理解するのは少し難しくなります。

 こうして、黒点の動きから自転速度が測れますが、緯度で自転速度が異なり、さらに、変動もあります。また、自転の方向は地球の向きと同じく西から東に回転しています。

 

(6) 自転の向きの話は、太陽の表面の座標(日面座標)のところで、詳述します。

 

F地球の公転軌道

  地球の公転軌道が楕円形をしているため、太陽の見える大きさが変化します。

  それを、確かめるのに、どんなフィルターがよいか、比べてみました。

image030

 Hαフィルターの写真ですが、これは、この用途には向いていません。

ガスレンジの高さを計るのに、ガスの炎の先端の高さで測る人は、いないでしょう。

Hα線のフィルターの写真に写る太陽の外周には、後に述べるように、スピキュールやプロミネンスがあったり、なかったり、背が高かったり低かったりします。

 

image032

 CaKフィルター、これは、光球の表面と彩層の底の部分が接しているところが写りますので、光球の直径を計るのには、ちょうどよいかもしれません。しかし、このフィルターは望遠鏡が何本も買えるような高価なものですので、手軽には楽しめません。

 

image035

 そこで、登場するのがNDフィルターです。ただし、光球の発光している部分は、かなりの厚さがあるため、シャッタースピードやフィルターの減光の率、ISO感度、処理段階の階調の調整でかなり視直径が変化してしまいます。湯気や霧を写しているような感じです。したがって、精密な計測には向きませんが、結構太陽の大きさは変化していますので、下のようなことが可能です。

 

image036

 北半球に住んでいると、冬には日差しが強く、夏には日差しが弱いことが分かります。良い時代に生まれてきました。何千年かすると、逆になり、暑い夏と、厳しい寒さの冬の時代がきます。もっとも、南半球は住みやすくなりますので、オーストラリア、南米、アフリカの南部が住みやすくなっているかもしれません。

 

 

 

G彩層

 次は、ちょっと違ったNDフィルターの写真の処理をします。

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 左の写真は、黒点を撮影したのと同じNDフィルターで写した白い太陽の写真です。明るいところを暗くして、暗いところを明るくするように、Sの字を右に倒したような階調の調整をしました。

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光球(黒いところ)のすぐ外側に虹のようなところが見えています。

これが、彩層と呼ばれるもので、光球の外側に、内側から青緑黄赤の順に色違いの虹のグラデーションになっています。

  太陽から立ち上った水素をはじめとする様々なガスやプラズマが、光を吸収したり、反射したり、発光しているのが、この彩層です。

 

(7)

 この写真はマクストフ・カセグレンを持っていたころに、主鏡と副鏡の反射だけで、直接焦点で撮影しました。口径D=110mm, 焦点距離f=1,035mmで撮影しましたが、黒点の写り方を見てわかる通り、焦点も甘く、あまり分解能の良い写真ではありませんので、彩層が随分分厚く写っています。

  理科年表によれば、性能の良い望遠鏡で写すと彩層の厚さは太陽の直径の1/300程度しかないそうです。

 

 

image076

そこで、屈折望遠鏡D=70mm  f=700mmで、注意深く焦点を合わせてみると、こんなに細くなりました。

image078

拡大してみるとやはり内側が青、外が赤で、色合いは上のものとほぼ同じになります。

 

これでも、まだ、厚さは直径の1/100位に写っています。

  しかし、この望遠鏡はアクロマート2枚玉の屈折望遠鏡です。屈折望遠鏡で写しても、波長別の色収差なのか、実際に彩層が写ったのか、判定は難しいのではないかと思います。

  折を見て他の反射望遠鏡などで、もう少し丁寧にやってみたいと思っています。結果が出たら、このページに書き足すことにします。

 

(2) 太陽の撮影にNDフィルターを使う理由は、もう一つあります。絞りを絞り込むと、散々述べてきた回折が起きます。すると、画像はぼやけてしまうので、口径を大きくして、焦点距離を短くして、Fの値を小さくして鮮明な画像を得るようにすると、回折の影響は減りますが、沢山の光が入ってしまいます。そこで暗くして高温になるのを防ぐために、NDフィルターを使用しているわけです。

 

 

H普段彩層の見えない理由

 でも、普段太陽を見ていると真っ白です、こんなグラデーションになるのは虹(にじ)や暈(ひがさ)など分光された時だけです。なぜでしょう。それには、いくつかの理由があるのですが、ここでは、主なものを一つだけ説明しておきます。

image080

 カラーフィルターを用意します。

image082

 そのフィルターを通った光の写真です。

 白い光がフィルターで、

  赤、 緑 青 に分解(分光)されています。

 この光を重ねます。

image084

 すると、木の葉の緑色、空の空色、海の青、スミレやフジの花の紫色、朝焼けや夕焼けの赤ができますが、全部混ざった中心には真っ白な昼間の太陽の色ができます。

 

image086

 光球の縁を横から見ると、

  虹のように彩層が見えています。

image111

 光球を正面から見ると、

   彩層の光は、重なり、合成された

   白い光になってしまいます。

 

 

 

 

 

I NDフィルターで写る紅炎(プロミネンス)

  NDフィルターとカラーフィルターの組み合わせで写せるものもあります。Dまでは、NDフィルターを単独で使用しましたが、NDフィルターとカラーフィルターを組み合わせると、さらに、違うものが見えてきます。

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太陽の紅炎(こうえん、プロミネンス)と呼ばれている炎のようなものが写っています。

2011/01/02 15:04 JST

Global High Resolution Hα Network に同日 02:27WUT のHαの写真があり、比較ができます。右上のほぼ同じ位置にどちらにもプロミネンスが写っていますので比較してみてください。

 

(3) いつでもNDフィルターとRフィルターの組み合わせだけで、プロミネンスが映るわけではありません。フレアが光球の外周で起きて、かなり明るいプロミネンスが外周にある時でないと写りません。この写真は、正月のためスモッグがなく、非常に良く晴れていて、空気が乾燥して地球の大気中に水蒸気やもやがほとんどないという条件と、太陽の活動がタイミングよく重なったものです。そのような気象条件の下でも、数百枚、数千枚写して初めて写ります。安定して写すためには、後述するHαフィルターなど、別の方法を使います。

 

image135

(↑写真をクリックすると拡大されます) 拡大した後はブラウザーの戻るボタンで戻れます>

Global High Resolution Hα Network 同日の写真がありますが、この日は、時刻によって様相がかなり変わっています。

2012/11/14 12:03

この日にも写りました。

光球面を黒い円で覆うと、プロミネンスが見やすくなります。

この写真は、NDフィルターだけで写しています。カラー写真のRプレーンですので、カメラの受光部のRフィルターを通った光です。

 

 

(4)特殊なフィルターは極めて高価ですので、このNDフィルターとR赤のカラーフィルターで写す方法はお金がかからないという点ではよいのですが、とにかく、手間がかかります。先ず、光球の光が程よく飽和するぐらいのISO感度とシャッタースピードの組み合わせを見つける作業が必要です。このためには、何日も何日も待ってやっと晴れた日には、仕事も家事も放り出し、写し続ける必要があります。その何百枚何千枚の写真を処理しますが、何十通りも様々な組み合わせの階調調整やトーンカーブ調整をして、1枚、1枚数時間かけて丹念に処理する必要があります。季節が変わると、太陽の高度が違い、明るさが変わります。すると、元の組み合わせでは全く写りません。また、同日に写した数百枚の中で、この時刻のものだけに写っていますので、タイミングは全くの運です。たいていは、何か月かかけて処理をして、その日はだめだったというようなことが分かります。

 

 

J皆既日食の時に見える紅炎(プロミネンス)

  この大変面倒な撮影方法よりも、もう少し、確実な太陽の紅炎(プロミネンス)の撮影方法があります。これには、少し弱めのNDフィルターを使います。

  皆既日食の時に月に太陽の光球が隠され、その外側に紅炎が見えるのを撮影する方法です。これは、説明するよりも、Youtubeに投稿された動画を見ていただく方が早いと思います。動画はいくつもあって、パナソニックのテルナテ島のものには、比較的大きく写っていますが英語です。ただ、この方法も毎日見えるわけではなく、少なくとも、皆既日食の起きる日に、起きるところに行く必要がありますし、行っても天気が良いとは限りません。さらに、その時にプロミネンスが外周にあるとは限りません。

 

 

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