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今日はセファイド変光星に関する大発見をした、リーヴィットの誕生日だった

 簡易分光器を作ってフラウンホーファー線の観察などをやっているので、個人的に天文に対する関心度が上がっています。そんなこともあって、宇宙の大きさを人類がどうやって把握していったのか、という話などを振り返ったりしています。ちなみに、こういう話では分光器が重要な役割を果たしています。

 ところで、宇宙の大きさについて、ハッブルの法則の発見に至るまでの経緯はおよそ把握していたつもりなのですが、一番はっきりしないのはセファイド変光星のあたりの話です。ハッブルはセファイド変光星を使って大きな発見をしたのですが、私自身がセファイド変光星についてきちんと理解出来ていません。初心者向けの資料には「セファイド変光星という目印を使うことで、距離を知る事が出来ました」とだけ書いてあったりして、どんな物理現象なのかさっぱり判っていませんでした。

 ということで調べてみると、ヘンリエッタ・スワン・リーヴィットという女性が決定的な役割を果たしていました。図書館に伝記があったので借りてきました

▼リーヴィットの伝記
リービッド「宇宙を測る方法」
 リーヴィット 宇宙を測る方法、ジョージ ジョンソン著、渡辺 伸監修、槇原 凛訳、WAVE出版
 ISBN978-4-87290-321-3

 この本に書いてありますが、リーヴィットに関して残されている記録はとても少ないようです。

 そんな背景からだと思われますが、リーヴィットについてWikiに書いてある情報も凄く少ないのですが、実はリーヴィットが生まれたのは1868年7月4日、つまり奇しくも148年前の今日だったということを先ほど知りました。
 
 伝記に掲載されていた写真

▼ハーバード大学の当時の天体望遠鏡
ハーバード大学の望遠鏡

▼リーヴィット
ヘンリエッタ・スワン・リービッド

 リーヴィットの発見は、小マゼラン星雲の中のセファイド変光星において、その変光周期と明るさに相関関係があることを見い出したことです。明るい星ほど変光周期が長いという結果でした。地球から小マゼラン星雲内のこれらの星までの距離はほとんど同じはずなので、変光周期はその星の絶対等級を反映していることになります。

 とは言っても小マゼラン星雲までの距離は不明なので、正確な絶対等級はこの時点では判りませんでした。その後の別の天文学者により、一つのセファイド変光星までの距離が判明しました。こうなるといもづる式に他の星までの距離が判るようになり、天体までの距離が判り、ハッブルの発見に繋がっていったということのようです。

 このあたりの話は、「物理の窓」の 「星までの距離を測る」に丁寧な解説があるので、興味のある方は一読されると良いと思います。なお、この資料にも書いてありますが、セファイド変光星自体は、リーヴィットが生まれる80年くらい前の、1780年代にピゴットとグッドリックによって発見されています。

◆最後に
 リーヴィットに関する資料を読むと、女性の社会的な地位が低かった時代にもかかわらず、着実に研究を行い、大発見に繋げた観察眼と洞察力はすごいと思いました。くしくも今日が彼女の誕生日だそうです。地球の裏側から勝手にひっそりと、お祝い申し上げます。ちなみに2018年は生誕150周年になるはずですが、何か記念行事でもやらないのでしょうか。

【追記】
・最初に公開した時は、リービットと書きましたが、伝記の本の表記に合わせリーヴィットに修正しました。
・この記事ではセファイド変光星と書いていますが、セフェイド変光星、あるいはケフェイド変光星、ケファイド変光星とも読まれるようです。

DVDのメディアで簡易分光器を作る-その4、(デジ1使って撮影)

 DVDの媒体ディスクを使った簡易分光器作りの話は一旦終わりにしていたのですが、セッピーナさんの記事を見ていると、どんどん性能を改善されています。

 一旦終わりにした理由は、この時使ったコンデジではピント合わせが難しいという点でした。だったらデジタル一眼レフを使えばいいのですが、そのためには重いカメラをしっかりと固定するための構造物を作らないといけません。でも私が作った分光器は段ボール箱で出来ているので、これを頑丈にするのはほとんど不可能でです。

 ということで、やりようが無くなってしまい放置していました。ところが、カメラを別の三脚で固定すればとりあえず撮影出来そうなことに気付きました。

▼三脚を二つ使ったスペクトル撮影装置
三脚を二つ使ってスペクトル撮影
 段ボール分光器の観測用の穴から覗き込むようにしてスペクトルを撮影します。余計な光がレンズに入り難いようにするため、穴を開けた黒い紙を使っています。人が動くと床のたわみでスペクトルの位置が動くので、撮影中はじっとしていないといけません。ということで、赤外リモコンを使ってカメラに触れないでそっとレリーズしました。

 なお、以下の撮影は全てスリットギャップ75μ、スリット・回折格子間の距離は180mmで行っており、上の写真のように窓の外の雲の光を分光しています。

▼撮影用機材
使った撮影機材
 カメラのボディはキャノンのEOS70D。レンズはEF70-200/F4L(この写真でボディに装着している物) と EFS60/F2.8マクロの二本を使いました。どちらのレンズも解像度はかなり高いはずです。またフォーカシングなどの操作を行ってもレンズの全長が変わらないので使い易いはずです。

 以下はスペクトルの撮影結果です。まずは60mmマクロから、

▼撮影結果 (写真をクリックすると別窓にもう少し大きな写真を表示)
EFS60マクロレンズで撮影
 EOS 70D, EFS60mm/F2.8マクロ, f/4.5, 1.3sec, ISO400, WB:DayLight

 スペクトルが傾いているうえに少し露光がアンダーですが、カメラで撮ったままのjpeg画像です。(リサイズしています)

 露出はマニュアル設定。ピントは液晶画面のライブビューで拡大画像を見ながらマニュアルで合わせています。なお、画像はものすごく暗いので、ファインダーからピントを合わせすることは出来ません。暗幕かぶって目を慣らせば出来るかも知れませんが、拡大ライブビューの精度にはかなわないと思います。

▼傾きを修正してトリミング(元画像は上とは別の写真です)
EFS60のスペクトルを切り出し
 拡大して見ると、b1, b2, b4 の吸収線がはっきりと確認出来ます。以前はb2とb4をはっきり分離して見ることが出来ませんでした。なお、b1線付近にピントを合わせている影響だと思いますが、画面端の近くのD1,D2線ははっきりと分離出来なくなっています。

▼望遠ズーム(EF70-200/F4L)のテレ端で撮影
EF70-200のテレ端で撮影
 EOS 70D, EF70-200mm/F4L, FL:200mm, f/8, 2.5sec, ISO400, WB:DayLight

 レンズの焦点距離が長いので拡大(望遠)撮影になっています。ちなみに35mm換算の焦点距離は316mmで撮影しています。E線からb1線あたりが画面の中央になるように撮っています。

▼上記画像のb線からE線あたりを拡大
Mgのb1,b2,b4線
 Mgのb1, b2, b4の吸収線がはっきりと分離できています。なお、60mmのマクロレンズ(EFS60/F2.8)で撮影した画像でも単に小さく撮影されているだけで、画像としての情報量は同じ感じでした。つまり、撮影系の空間分解能にはまだ余裕がありそうで、性能は分光器の色分解能で決まっている状態です。

 以前の記事では、ピント合わせの問題からスリットのギャップは100μにしていましたが、今回はデジ一を使ったので、ギャップの小さなスリットでも撮影が可能になりました。そのおかげで b2 と b4の分離が出来たのだと思います。

 ちなみにb2 の波長は517.27nm、b4の波長は516.733nm で、両者の差は0.537 nm。つまりこの値以上の分解能が得られていることになります。間隔が半分になっても検知出来そうな気配なので、0.25nm くらいの分解能になっている感じです。

 ということで記事を書き終わってセッピーナさんのサイトを見てみると、半値幅0.05nmまで到達されています。スリット・回折格子間距離 350mm、スリットギャップ50μでやられた、ということなので色分解能はうちの約4倍あるはずで、なるほど、理屈通りの結果になっているようです。ちなみに光量不足対策として太陽の直射光観察でやられています。

 使っている回折格子(DVD-R)の色分解能にはまだ余裕があるそうなので、どこまで分解能が上がるか興味深いです。

DVDのメディアで簡易分光器を作る-その3、(まとめ)

 このあいだから取り組んでいるDVDの媒体円盤を使った簡易分光器作りですが、ほとんど進歩が止まったというか、いじると逆に改悪になっちゃったりしています。きちんと精度良く工作すればもっと改善の余地もありそうなのですが、手持ちの機材でこれ以上改善するのは難しい気がしてきました。

 ということで、これまでに得られたデーター(写真)をまとめて、この話は一旦終了にしたいと思います。なお、以下のスペクトル写真はトリミングやリサイズを行っていますが、画質の調整は行っていません。つまりカメラが吐いたjpegのままです。

▼DVD分光器で取得した蛍光灯のスペクトル
蛍光灯のスペクトル
 もっと連続的なスペクトルになっていると思っていたのですが、けっこう凸凹があります。それに鋭い輝線もあります。もやっとしたスペクトルは蛍光体の発光だと思います。

 左の青の部分にある輝線は水銀のg線で、昔の半導体プロセスで使われていたg線露光機というのは、この波長の光を使っていたことになります。

▼太陽光のフラウンホーファー線
フラウンフォーファー線
 右端のB線はちょっと自信がありませんが、それ以外はたぶん合っていると思います。実はこの写真はこの前の記事に使ったものです。つまりその後で、これを上回るクォリティの写真は撮れていません。 

▼DからEを拡大
D線、E線
 D線がD1,D2の二本に分かれていることが確認出来ます。この吸収線はナトリウムによるもので、オレンジ色のナトリウムランプの波長です。

 ちなみにD1,D2線は磁界により分裂するそうで(ゼーマン効果)、太陽黒点の磁場分布はD線の構造を調べれば判るそうです。D1,D2の分裂具合を比較すれば磁界の方向まで判るというのだからすごい話です。

 E線の左にb1とb2 + b3 b4 が確認出来ます。(写真にb3と書き込んでいますが、これはb4の間違いです)

 ということで、目標としていたフラウンホーファー線は確認できたので当初の目標は達成できました。ここまでやるのにセッピーナさんのDVD簡易分光器の一連の記事が大変参考になりました(現時点の最新記事はこちら) ありがとうございます。

▼現在のDVD簡易分光器の状態
三脚に載せた分光器
 旅行に持っていく小さな三脚に据えています。

 ところで、セッピーナさんの実験結果を拝見するともっと高い分解能が出ています。私もがんばったのですが、残念ながらセッピーナさんのレベルに届きませんでした。この原因として考えられるのは、
 1)スリットまでの距離が180mmと短い。
 2)カメラの感度が低い、またフォーカス合わせが難しい。
 3)カメラのレンズを回折格子に近づけすぎ?

1)項は後にして、2)項から説明します
 使ったカメラはキャノンのコンデジの S110 を使っています。フォーカスはマニュアルでやっていますが、フランホーファー線のような画像にピントを合わせるのは難しい、というかピントの山が判り辛いです。

 だったらオートフォーカスを使いたいのですが、このカメラはシャッター速度が1秒以上になると、なんと信じられないことにISO感度が80に強制的に下げられてしまいます。こうなると画像が暗くなってしまってオートフォーカスがうまくかかりません。ちなみにマニュアル露出でISOを1600とか設定していても、シャッター速度が1秒以上になると自動的にISO80に変更されれてしまいます。なんとも勝手な仕様ですが、キャノンのコンデジはみなこういう仕様になっているようです。

 そんなことで、せっかく75μのスリットを作ったのですが、これでは暗くてピント合わせがほとんど不可能です。仕方ないので 100μのスリットを使っています。また、1)項のスリットまでの距離を伸ばすと明るさの問題は悪化するのでこれも採用出来ません。

 3)項は考え難いのですが、段ボール箱に開けた穴を拡大して、より深くカメラを差し込むようにして以来、色分解能が悪くなったような気がするのであげてみました。

◆あとがき
 物理の教科書で、フラウンホーファー線の発見からボーアの原子模型にたどり着くあたりの話は、一番好きで何度読んでもわくわくします。あと、三鷹の国立天文台に行くとアインシュタイン塔という施設があります。この塔を使って太陽光スペクトルを詳細に調べることで、相対論の検証を試みた、(そして失敗した)ということが資料に書かれていました。真理を追究するためならここまでやるのか、と感銘を受けました。

 そんなことで太陽光スペクトルはちょっと関心があったので、セッピーナさんの記事をきっかけに自分でもやってみました。フラウンホーファー線を実際に確認することが出来てよかったです。セッピーナさんに感謝します。
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