第6章天文学の観測装置Astronomical Instruments

Whether or not you wear glasses, you see the world through lenses; they are key elements of your eyes. A lens is a transparent piece of material that bends the rays of light passing through it. If the light rays are parallel as they enter, the lens brings them together in one place to form an image (Figure 6.4). If the curvatures of the lens surfaces are just right, all parallel rays of light (say, from a star) are bent, or refracted, in such a way that they converge toward a point, called the focus of the lens. At the focus, an image of the light source appears. In the case of parallel light rays, the distance from the lens to the location where the light rays focus, or image, behind the lens is called the focal length of the lens.

眼鏡をかけていてもいなくても、私たちはレンズを通して世界を見ている。レンズは目の重要な構成要素だからである。レンズとは、通り抜ける光線を曲げる透明な材料である。光線が互いに平行な状態で入ってくると、レンズはそれらを一か所に集めて像を作る（図6.4）。レンズ表面の曲がり具合が適切なら、たとえば恒星から届くような平行な光線はすべて曲げられ、つまり屈折して、レンズの焦点と呼ばれる一点へ向かって集まる。その焦点に、光源の像が現れる。平行な光線の場合、レンズから、その後方で光線が集まって像を結ぶ位置までの距離を、レンズの焦点距離という。

As you look at Figure 6.4, you may ask why two rays of light from the same star would be parallel to each other. After all, if you draw a picture of star shining in all directions, the rays of light coming from the star don’t look parallel at all. But remember that the stars (and other astronomical objects) are all extremely far away. By the time the few rays of light pointed toward us actually arrive at Earth, they are, for all practical purposes, parallel to each other. Put another way, any rays that were not parallel to the ones pointed at Earth are now heading in some very different direction in the universe.

図6.4を見て、同じ星から来る2本の光線が、なぜ互いに平行なのかと疑問に思うかもしれない。確かに、全方向へ光を放つ星を絵に描くと、その星から出る光線はまったく平行には見えない。しかし、恒星をはじめとする天体は、いずれも極めて遠くにあることを思い出そう。私たちのほうに向いたわずかな光線が実際に地球に届くころには、実用上、それらは平行とみなせる。言い換えれば、地球のほうを向いた光線と平行でなかった光線は、今ごろ宇宙のまったく別の方向へ進んでいるのである。

To view the image formed by the lens in a telescope, we use an additional lens called an eyepiece. The eyepiece focuses the image at a distance that is either directly viewable by a human or at a convenient place for a detector. Using different eyepieces, we can change the magnification (or size) of the image and also redirect the light to a more accessible location. Stars look like points of light, and magnifying them makes little difference, but the image of a planet or a galaxy, which has structure, can often benefit from being magnified.

望遠鏡のレンズが作る像を見るために、接眼レンズと呼ばれるもう一つのレンズを使う。接眼レンズは、人が直接見られる距離、あるいは検出器を置くのに都合のよい場所に像を結ばせる。接眼レンズを替えれば、像の倍率、つまり大きさを変えることができ、光を扱いやすい位置へ向け直すこともできる。恒星は光の点のように見えるため、拡大してもあまり違いはない。しかし、構造を持つ惑星や銀河の像は、拡大すると見やすくなることが多い。

Many people, when thinking of a telescope, picture a long tube with a large glass lens at one end. This design, which uses a lens as its main optical element to form an image, as we have been discussing, is known as a refractor (Figure 6.5), and a telescope based on this design is called a refracting telescope. Galileo’s telescopes were refractors, as are today’s binoculars and field glasses. However, there is a limit to the size of a refracting telescope. The largest one ever built was a 49-inch refractor built for the Paris 1900 Exposition, and it was dismantled after the Exposition. Currently, the largest refracting telescope is the 40-inch refractor at Yerkes Observatory in Wisconsin.

望遠鏡というと、多くの人は片端に大きなガラスレンズの付いた長い筒を思い浮かべる。これまで説明してきたように、レンズを主要な光学素子として像を作るこの設計は屈折式と呼ばれ（図6.5）、この設計による望遠鏡を屈折望遠鏡という。ガリレオの望遠鏡も屈折式であり、現在の双眼鏡や携帯用の双眼鏡も同じ方式である。ただし、屈折望遠鏡の大きさには限界がある。これまでに造られた最大のものは、1900年のパリ万国博覧会のために造られた49インチ屈折望遠鏡で、博覧会の後に解体された。現在、最大の屈折望遠鏡は、ウィスコンシン州のヤーキス天文台にある40インチ屈折望遠鏡である。

One problem with a refracting telescope is that the light must pass through the lens of a refractor. That means the glass must be perfect all the way through, and it has proven very difficult to make large pieces of glass without flaws and bubbles in them. Also, optical properties of transparent materials change a little bit with the wavelengths (or colors) of light, so there is some additional distortion, known as chromatic aberration. Each wavelength focuses at a slightly different spot, causing the image to appear blurry.

屈折望遠鏡の問題の一つは、光がレンズの中を通り抜けなければならないことだ。そのため、ガラスは内部まで完全でなければならないが、欠陥や気泡のない大きなガラスを作ることは極めて難しいとわかっている。また、透明な材料の光学的な性質は、光の波長、つまり色によって少し変わる。そのため、色収差という別のひずみも生じる。波長ごとに焦点の位置が少しずつ異なり、像がぼやけて見える。

In addition, since the light must pass through the lens, the lens can only be supported around its edges (just like the frames of our eyeglasses). The force of gravity will cause a large lens to sag and distort the path of the light rays as they pass through it. Finally, because the light passes through it, both sides of the lens must be manufactured to precisely the right shape in order to produce a sharp image.

さらに、光を通す必要があるため、レンズは縁の部分でしか支えられない。眼鏡のフレームと同じである。大きなレンズは重力でたわみ、その中を通る光線の進路をゆがめてしまう。最後に、光がレンズを通過する以上、くっきりした像を作るには、両面とも正確に適切な形に仕上げなければならない。

A different type of telescope uses a concave primary mirror as its main optical element. The mirror is curved like the inner surface of a sphere, and it reflects light in order to form an image (Figure 6.5). Telescope mirrors are coated with a shiny metal, usually silver, aluminum, or, occasionally, gold, to make them highly reflective. If the mirror has the correct shape, all parallel rays are reflected back to the same point, the focus of the mirror. Thus, images are produced by a mirror exactly as they are by a lens.

別の方式の望遠鏡では、凹面の主鏡を主要な光学素子として使う。鏡は球の内面のように曲がっており、光を反射して像を作る（図6.5）。望遠鏡の鏡は、反射率を高くするため、通常は銀やアルミニウム、ときには金などの光沢のある金属でコーティングされる。鏡の形が適切であれば、平行な光線はすべて同じ点、すなわち鏡の焦点へ向かって反射される。このように、鏡でもレンズと同様に像ができる。

Telescopes designed with mirrors avoid the problems of refracting telescopes. Because the light is reflected from the front surface only, flaws and bubbles within the glass do not affect the path of the light. In a telescope designed with mirrors, only the front surface has to be manufactured to a precise shape, and the mirror can be supported from the back. For these reasons, most astronomical telescopes today (both amateur and professional) use a mirror rather than a lens to form an image; this type of telescope is called a reflecting telescope. The first successful reflecting telescope was built by Isaac Newton in 1668.

鏡を使う設計の望遠鏡は、屈折望遠鏡の問題を避けられる。光は前面で反射するだけなので、ガラス内部の欠陥や気泡は光の進路に影響しない。正確な形に仕上げる必要があるのも前面だけで、鏡を後ろから支えることもできる。こうした理由から、現在の天体望遠鏡は、アマチュア用でも専門家用でも、多くがレンズではなく鏡で像を作る。この方式の望遠鏡を反射望遠鏡という。最初に実用となった反射望遠鏡は、1668年にアイザック・ニュートンが製作した。

In a reflecting telescope, the concave mirror is placed at the bottom of a tube or open framework. The mirror reflects the light back up the tube to form an image near the front end at a location called the prime focus. The image can be observed at the prime focus, or additional mirrors can intercept the light and redirect it to a position where the observer can view it more easily (Figure 6.6). Since an astronomer at the prime focus can block much of the light coming to the main mirror, the use of a small secondary mirror allows more light to get through the system.

反射望遠鏡では、凹面鏡を筒や骨組みの底部に置く。鏡は光を筒の上方へ反射し、前端近くの主焦点と呼ばれる場所に像を作る。その主焦点で像を観測してもよいし、追加の鏡で光を受け、観測者がもっと見やすい位置へ向け直してもよい（図6.6）。主焦点に天文学者がいると、主鏡へ入る光の多くを遮ってしまうことがある。そのため、小さな副鏡を使うほうが、装置全体を通る光の量を多くできる。

A telescope collects the faint light from astronomical sources and brings it to a focus, where an instrument can sort the light according to wavelength. Light is then directed to a detector, where a permanent record is made. The light-gathering power of a telescope is determined by the diameter of its aperture, or opening—that is, by the area of its largest or primary lens or mirror. The primary optical element in a telescope is either a convex lens (in a refracting telescope) or a concave mirror (in a reflector) that brings the light to a focus. Most large telescopes are reflectors; it is easier to manufacture and support large mirrors because the light does not have to pass through glass.

望遠鏡は天体からのかすかな光を集めて焦点に導き、そこで装置を使って波長ごとに分けられるようにする。その後、光は検出器へ送られ、後に残る記録が作られる。望遠鏡の集光力は口径、つまり開口部の直径によって決まり、言い換えれば、最も大きな主レンズや主鏡の面積によって決まる。望遠鏡の主要な光学素子は、屈折望遠鏡では凸レンズ、反射望遠鏡では凹面鏡であり、光を焦点に集める。大型望遠鏡の多くは反射式である。光がガラスを通過する必要がないため、大きな鏡のほうが製作しやすく、支えやすいからである。