第6章天文学の観測装置Astronomical Instruments

There are three basic components of a modern system for measuring radiation from astronomical sources. First, there is a telescope, which serves as a “bucket” for collecting visible light (or radiation at other wavelengths, as shown in (Figure 6.2). Just as you can catch more rain with a garbage can than with a coffee cup, large telescopes gather much more light than your eye can. Second, there is an instrument attached to the telescope that sorts the incoming radiation by wavelength. Sometimes the sorting is fairly crude. For example, we might simply want to separate blue light from red light so that we can determine the temperature of a star. But at other times, we want to see individual spectral lines to determine what an object is made of, or to measure its speed (as explained in the Radiation and Spectra chapter). Third, we need some type of detector, a device that senses the radiation in the wavelength regions we have chosen and permanently records the observations.

天体からの放射を測る現代のシステムには、三つの基本要素がある。第一は望遠鏡で、可視光、あるいは図6.2に示すような別の波長の放射を集める「バケツ」の役目を果たす。コーヒーカップよりごみ箱のほうが多くの雨を受けられるのと同じように、大きな望遠鏡は私たちの目よりはるかに多くの光を集める。第二は、望遠鏡に取り付けられ、入ってくる放射を波長ごとに分ける装置である。かなり大まかに分けるだけの場合もある。たとえば星の温度を求めるため、青い光と赤い光を分けたいだけのこともある。しかし、天体が何でできているかを調べたり、その速さを測ったりするために、個々のスペクトル線を見たい場合もある。この点は「放射とスペクトル」の章で説明した。第三は何らかの検出器である。これは、選んだ波長域の放射を感知し、観測結果を永続的な記録として残す装置である。

The history of the development of astronomical telescopes is about how new technologies have been applied to improve the efficiency of these three basic components: the telescopes, the wavelength-sorting device, and the detectors. Let’s first look at the development of the telescope.

天体望遠鏡の発達の歴史は、望遠鏡、波長を分ける装置、検出器という三つの基本要素の効率を高めるために、新しい技術がどのように使われてきたかという歴史である。まず望遠鏡の発達から見ていこう。

Many ancient cultures built special sites for observing the sky (Figure 6.3). At these ancient observatories, they could measure the positions of celestial objects, mostly to keep track of time and date. Many of these ancient observatories had religious and ritual functions as well. The eye was the only device available to gather light, all of the colors in the light were observed at once, and the only permanent record of the observations was made by human beings writing down or sketching what they saw.

古代の多くの文化では、空を観測するための特別な場所が造られた（図6.3）。こうした古代の観測所では、主に時刻や日付を把握するため、天体の位置を測ることができた。宗教や儀式のための役割も兼ねている場所が多かった。光を集めるために使える装置は目だけであり、光に含まれるあらゆる色を一度に観察していた。また、観測を後に残す唯一の記録は、人が見たものを書き留めたり、スケッチしたりして作ったものだった。

While Hans Lippershey, Zaccharias Janssen, and Jacob Metius are all credited with the invention of the telescope around 1608—applying for patents within weeks of each other—it was Galileo who, in 1610, used this simple tube with lenses (which he called a spyglass) to observe the sky and gather more light than his eyes alone could. Even his small telescope—used over many nights—revolutionized ideas about the nature of the planets and the position of Earth.

1608年ごろの望遠鏡の発明者として、ハンス・リッペルハイ、ザカリアス・ヤンセン、ヤーコプ・メチウスの3人が挙げられ、それぞれの特許申請は数週間のうちに行われた。しかし、1610年にこのレンズを備えた単純な筒を空へ向け、肉眼だけよりも多くの光を集めたのはガリレオだった。彼はその道具を「遠眼鏡」と呼んだ。小さな望遠鏡であっても、何晩にもわたって使うことで、惑星の性質や地球の位置づけについての考えを一変させた。

Telescopes have come a long way since Galileo’s time. Now they tend to be huge devices; the most expensive cost hundreds of millions to billions of dollars. (To provide some reference point, however, keep in mind that just renovating college football stadiums typically costs hundreds of millions of dollars—with the most expensive recent renovation, at Texas A&M University’s Kyle Field, costing $450 million.) The reason astronomers keep building bigger and bigger telescopes is that celestial objects—such as planets, stars, and galaxies—send much more light to Earth than any human eye (with its tiny opening) can catch, and bigger telescopes can detect fainter objects. If you have ever watched the stars with a group of friends, you know that there’s plenty of starlight to go around; each of you can see each of the stars. If a thousand more people were watching, each of them would also catch a bit of each star’s light. Yet, as far as you are concerned, the light not shining into your eye is wasted. It would be great if some of this “wasted” light could also be captured and brought to your eye. This is precisely what a telescope does.

望遠鏡はガリレオの時代から大きく進歩した。現在では巨大な装置であることが多く、特に高価なものには数億〜数十億ドルがかかる。ただし、比較の目安として、大学のアメリカンフットボール競技場を改修するだけでも、通常は数億ドルかかることを覚えておこう。近年の改修で最も高額だったテキサスA&M大学のカイル・フィールドでは、4億5000万ドルが費やされた。天文学者がますます大きな望遠鏡を造り続けるのは、惑星、恒星、銀河などの天体が、どんな人の目の小さな開口部でも受け止めきれないほど多くの光を地球に送っており、大きな望遠鏡ほど暗い天体を検出できるからである。友人たちと一緒に星を眺めたことがあれば、星の光は皆に十分行き渡るほどあるとわかるだろう。一人ひとりが、それぞれの星を見ることができる。さらに1000人が眺めていたとしても、やはり全員が各々の星の光を少しずつ受け取れる。しかし、あなたにとって、自分の目に入ってこない光は無駄になっている。この「無駄になった」光の一部も捉えて自分の目に届けられたら、すばらしいだろう。それこそが望遠鏡のすることである。

The most important functions of a telescope are (1) to collect the faint light from an astronomical source and (2) to focus all the light into a point or an image. Most objects of interest to astronomers are extremely faint: the more light we can collect, the better we can study such objects. (And remember, even though we are focusing on visible light first, there are many telescopes that collect other kinds of electromagnetic radiation.)

望遠鏡の最も重要な働きは、（1）天体から届くかすかな光を集めること、（2）集めた光をすべて一点に集める、あるいは像を結ばせることである。天文学者が関心を持つ天体の大部分は極めて暗い。光を多く集められるほど、そうした天体を詳しく調べられる。ここではまず可視光を扱っているが、ほかの種類の電磁放射を集める望遠鏡も数多くあることを思い出してほしい。

Telescopes that collect visible radiation use a lens or mirror to gather the light. Other types of telescopes may use collecting devices that look very different from the lenses and mirrors with which we are familiar, but they serve the same function. In all types of telescopes, the light-gathering ability is determined by the area of the device acting as the light-gathering “bucket.” Since most telescopes have mirrors or lenses, we can compare their light-gathering power by comparing the apertures, or diameters, of the opening through which light travels or reflects.

可視光を集める望遠鏡は、レンズか鏡を使って光を集める。別の種類の望遠鏡では、私たちになじみのあるレンズや鏡とはまったく違う見かけの集光装置を使うこともあるが、働きは同じである。どの種類の望遠鏡でも、集光能力は、光を集める「バケツ」の役目をする装置の面積で決まる。たいていの望遠鏡には鏡かレンズがあるので、光が通過したり反射したりする開口部の直径、すなわち口径を比べることで、集光力を比較できる。

The amount of light a telescope can collect increases with the size of the aperture. 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 $\frac{\pi d^2}{4}$, where d is the diameter of the circle.)

望遠鏡が集められる光の量は、口径が大きくなるにつれて増える。直径4メートルの鏡を持つ望遠鏡は、直径1メートルの望遠鏡の16倍の光を集められる。直径を2乗するのは、円の面積が$\frac{\pi d^2}{4}$だからである。ここでdは円の直径を表す。

After the telescope forms an image, we need some way to detect and record it so that we can measure, reproduce, and analyze the image in various ways. Before the nineteenth century, astronomers simply viewed images with their eyes and wrote descriptions of what they saw. This was very inefficient and did not lead to a very reliable long-term record; you know from crime shows on television that eyewitness accounts are often inaccurate.

望遠鏡で像ができたら、その像をさまざまな方法で測定し、再現し、分析するために、検出して記録する手段が必要になる。19世紀以前の天文学者は、ただ目で像を眺め、見えたものを文章に書いていた。この方法は非常に効率が悪く、長期にわたって頼りにできる記録を残すことにもつながらなかった。テレビの犯罪ドラマでもおなじみのように、目撃者の証言は不正確なことが多い。

In the nineteenth century, the use of photography became widespread. In those days, photographs were a chemical record of an image on a specially treated glass plate. Today, the image is generally detected with sensors similar to those in digital cameras, recorded electronically, and stored in computers. This permanent record can then be used for detailed and quantitative studies. Professional astronomers rarely look through the large telescopes that they use for their research.

19世紀になると、写真が広く使われるようになった。当時の写真は、特別な処理をしたガラス板に、化学的な方法で像を記録したものだった。現在では一般に、デジタルカメラと似たセンサーで像を検出し、電子的に記録してコンピューターに保存する。こうして残した記録を、詳しい定量的な研究に使うことができる。専門の天文学者が、研究に用いる大望遠鏡を目でのぞくことはめったにない。