天体望遠鏡
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天体望遠鏡（てんたいぼうえんきょう）とは、遠方にある天体を観察するための装置である。
光学的な装置で肉眼に見えるようにするものは「光学望遠鏡」と呼ばれるほか、「電波望遠鏡」「赤外線望遠鏡」など、可視光線外の電磁波を観測対象にしたものもある。
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[編集] 光学望遠鏡
光学望遠鏡は、その光学系の原理によって大きく反射式・屈折式・カタディオプトリック式の3種類に分類される。また望遠鏡を載せる架台の違いによって、赤道儀式と経緯台式に分かれる。
[編集] 屈折望遠鏡
屈折望遠鏡はレンズを組み合わせた望遠鏡である。レンズによって分散が起こるため色収差を生じる。ほとんどの場合、色収差を抑えるために複数のレンズを組み合わせて使用する。通常は可視光のうちC線（赤、656.27nm）とF線（青、486.13nm）の2つの波長に対して球面収差とコマ収差を取り除いたものをアクロマート、これらにg線（紫、435.83nm）も加えた3つの波長に対して球面収差とコマ収差を取り除いたものをアポクロマートと呼ぶ。アクロマートとアポクロマートの中間の特性を持つセミアポクロマートもある。アポクロマートのレンズには人工蛍石レンズなどの低分散性の特殊な材料が使用されるが、これらの素材は大型の単結晶レンズを製作しにくい為、非常に高価な物となっている。また近年では環境保護の観点から鉛や砒素を使用しない高性能光学ガラス（エコガラス）の開発も行なわれている。
[編集] ガリレオ式
歴史上最初に作られた望遠鏡は屈折式で、凸レンズを対物レンズに、凹レンズを接眼レンズとして使用したものだった。この望遠鏡の発明者は明らかではないが、1608年にオランダで特許申請がされている。このため、この方式の望遠鏡はオランダ式望遠鏡とも呼ばれる。現在ではこの方式の望遠鏡で多くの発見をしたガリレオ・ガリレイにちなんでガリレオ式望遠鏡と主に呼ばれる。現代の屈折望遠鏡は後述するケプラー式望遠鏡が主流だが、ガリレオ式は高倍率を出しにくい反面、低コストで正立像を得られることからオペラグラスなどに用いられている。一般にガリレオ式は性能面でケプラー式に劣る印象があるが、ガリレオ式光学系を採用した双眼鏡の中には旧ソ連製のワイドビノなど評価の高い製品もある。
[編集] ケプラー式
ケプラー式望遠鏡はヨハネス・ケプラーが考案した屈折望遠鏡で、対物レンズ、接眼レンズの両方に凸レンズを用いるものである。像が倒立になる代わりに高い倍率を得られるという利点があった。このため反射望遠鏡の出現以前には天体観測に広く使われた。反面、鏡筒が長くなるという弱点もある。ケプラー本人は実際に望遠鏡は製作していない。
現在では光路の途中にプリズムや鏡を加えて正立像を見られるようにしたものもある。特に地上用（野外観察や射撃用）の望遠鏡はこの形式であり、スポッティングスコープ（w:Spotting scope）やフィールドスコープと呼ばれる。
天体観測の目的では通常は正立プリズムなどを入れずに倒立像のままで用いられる。現代では大型のアクロマートレンズが単体で市販されている為、口径20cm程度の望遠鏡を自作する人もいる。
[編集] 反射望遠鏡
反射望遠鏡は凹面鏡などの反射鏡を組み合わせて遠方の像を拡大する望遠鏡である。レンズを用いないため色収差を生じず、また大口径の望遠鏡を作ることが可能という利点があるが、視界の辺縁では像が尾を引くコマ収差を生じる。また、鏡の温度が外気温と異なっている場合には、望遠鏡内部に空気の対流が発生し、像が揺れることがある。これを、筒内気流という。筒内気流が発生した場合には、鏡が外気温になじむまで待つ。また、鏡にファンで風を当て鏡の温度を外気温になじませる望遠鏡もある。カセグレン式望遠鏡などのように光が望遠鏡内部を往復する形式のものは、筒内気流の影響はニュートン式と比べさらに大きくなる。
[編集] ニュートン式
ニュートン式望遠鏡またはニュートン式反射望遠鏡と呼ばれる。凹面鏡（主鏡）で反射させた光を、光軸上前方に置いた斜め45度の平面鏡で横方向に取り出したあとレンズを通して覗くものである。これは別記のジェームス・グレゴリーが考案して著書に記載した方式を参考に作られたもの。 反射望遠鏡の発明者はグレゴリーであり、ニュートンはニュートン式望遠鏡の発明者でしかない。 ニュートン式は放物面鏡(口径比が大きいものは球面鏡でも代用可能)１枚と平面鏡1枚とレンズだけで容易に作れるためアマチュアの入門用として愛用された。接眼部が鏡筒の前方に位置するため、大型のものでの観測は困難である。
[編集] カセグレン式
カセグレン式望遠鏡は主鏡の光軸上前方に双曲面の凸面鏡（副鏡）を対向させ、主鏡の中央の開口部から鏡面裏側に光束を取り出して接眼レンズに導く方式の望遠鏡である。17世紀のフランスの彫刻家シュール・ギヨーム・カセグレンによって発明された。またカセグレン式から派生した光学系として、広い視野に渡って良い星像を確保するために、主鏡に双曲面、副鏡に高次非球面を用いて収差を高度に除去したリッチー・クレチアン式光学系や、主鏡に楕円面、副鏡に球面を用いて鏡面研磨を容易にしたドール・カーカム式光学系もある。これに対して古典的な放物面主鏡＋双曲面副鏡の組み合わせによるものをクラシカル・カセグレン光学系と呼ぶことも多い。
カセグレン式光学系を用いたアマチュア向けの市販品小型望遠鏡は少ないが、大型望遠鏡の場合には鏡筒後部の低い位置に撮像装置などを取り付けられるため、カセグレン焦点はほぼ必ず設けられている。
[編集] グレゴリー式
グレゴリー式望遠鏡はイギリスのジェームス・グレゴリーによって考案され1663年の著書に記載されて公表された。反射望遠鏡の発明者はニュートンではなくグレゴリーである。主鏡は放物凹面鏡、副鏡は楕円凹面鏡。主鏡の中央に穴があってそこから光を後方に導く方式である。 アイザック・ニュートンはこの著書を参考に、楕円凹面鏡を簡単な平面鏡に変えた小型望遠鏡を作って名をあげた。1672年。
グレゴリー式は正立像となるために地上用望遠鏡として多く用いられた。江戸時代に日本の鉄砲鍛冶であった国友一貫斎が日本で初めて製作した反射望遠鏡はグレゴリー式であった。
[編集] ナスミス式
ナスミス式望遠鏡はカセグレン式と同様に放物面の主鏡と双曲面の副鏡を用いて反射させた光をさらに平面鏡を使って鏡筒の直角方向に導く方式の望遠鏡である。19世紀のイギリスの技術者ジェームス・ナスミスによって考案された。ナスミス式では望遠鏡架台にフォーク式架台を用い、鏡筒から取り出した光を架台の高度軸（フォーク式赤道儀の場合は赤緯軸）内に通す。これによって接眼部の高さが望遠鏡の姿勢によらず常に一定となり、観測装置の取り付けが容易になる利点がある。このため大型望遠鏡の多くはナスミス焦点を持っている。
また、ナスミス式から派生した光学系として、鏡筒外に導いた光をさらに数枚の鏡やプリズムを用いて赤道儀の極軸内に導くクーデ式望遠鏡もある。クーデ式では接眼部が高度方向だけでなく水平面内でも完全に不動となるため、観測に非常に好都合である。しかし多数の鏡で光路を曲げるために光量の損失が大きく、視野が狭くなる短所もある。
[編集] カタディオプトリック式望遠鏡（反射屈折式望遠鏡）
反射望遠鏡をベースとして、そこに補正レンズを組み込んで収差を補正した天体望遠鏡をカタディオプトリック式と呼ぶ。catadioptric は catoptric（「反射光学の」） と dioptric（「屈折光学の」）の合成語である。ベースとなる光学系と補正レンズの組み合わせによって様々な方式のものが考案されている。
[編集] シュミット式
シュミット式望遠鏡は主鏡に球面鏡を用い、対物側に高次非球面の補正レンズ（シュミット補正板）を置いて球面収差やコマ収差を除去した望遠鏡である。ベルンハルト・シュミットによって発明された。補正レンズは対物側は平面で、内側は中央部と周辺部が凸型、その中間が凹型になっているものが多い。主鏡が球面鏡のため研磨が容易で、口径比の小さい広視野の望遠鏡を作ることができるが、焦点が鏡筒内にあるために眼視用には向かない。また焦点面が強く湾曲しているため、通常は写真乾板やフィルムなどを専用のホルダー等で焦点面に合わせて湾曲させて用いる。このため専ら写真撮影専用の光学系として用いられ、シュミット・カメラと呼ばれることが多い。
[編集] シュミット・カセグレン式
シュミット・カセグレン式望遠鏡はカセグレン式の放物面主鏡と双曲面副鏡を共に球面鏡で代用して研磨を容易にしたものである。球面鏡を用いたことによって生じる収差はシュミット・カメラと同様の高次非球面の補正レンズによって低減する。比較的安価に大口径のものが製作でき、またコンパクトな形になるので市販品も多く作られている。
[編集] マクストフ・カセグレン式
マクストフ・カセグレン式望遠鏡はシュミット・カセグレン式のシュミット式補正レンズの代わりにメニスカスレンズを補正レンズとしたものである。副鏡はメニスカスレンズの中央部をメッキして代用することが多い。
[編集] 天体望遠鏡の架台
天体望遠鏡は、(1)全天のどこへも向けられること、(2)地球の自転運動による天体の動き（日周運動）を常に追尾できることの2点が必要である。そのために天体望遠鏡を載せる架台は、(1)の目的達成のために少なくとも直交する2軸を持つ必要があり、(2)の目的達成のために、1軸だけで天体追尾を行う赤道儀式と2軸以上を使う経緯台式に分かれる。人工衛星観測用望遠鏡など特殊な用途では3軸以上の自由度を持つ架台もある。
[編集] 赤道儀式架台
- ドイツ式赤道儀
- 赤道儀式架台で最もポピュラーな形式。シンプルな2軸機構であるが、欠点として鏡筒とのバランスを保つ重り（バランスウェイト）が必要とある。
- イギリス式赤道儀
- ドイツ式の極軸方向を延長して2点で極軸を支える方式。大型となり設置スペースを要する。日本の国立天文台岡山天体物理観測所の188cm望遠鏡はイギリス式である。
- フォーク式赤道儀
- U字型のアームの間に鏡筒を取り付け、U字アームが極方向に回転する方式。Ｆ値の小さい短い筒の光学系にしか利用しにくい。最近の50cmクラス公共天文台のほとんどはフォーク式赤道儀である。
- ヨーク式赤道儀
- フォーク式のU字を極方向に延長し極軸を2点で支持する形。欠点として、広い設置スペースが必要。極方向とその周辺が観測できない。
- ホースシュー（馬蹄）式赤道儀
- パロマー天文台200インチ望遠鏡がこの形式である。フォーク式の変形であり鏡筒の自重による極軸のたわみを軽減している。
[編集] 経緯台式架台
カメラ用の三脚のように水平回転軸と高度軸の2軸を持つ架台。天体の日周運動を追尾するためには2軸を同時に不等速度で駆動制御する必要がある。計算機やGPSなどの保時技術の発達によりその制御が容易になった。この形式の利点は、望遠鏡の向く方向によらず望遠鏡の重量負荷が常に同一方向にかかるため、一方向の負荷だけを考えればよく、設計が容易であることである。欠点は、追尾により視野が回転することと、最も観測条件の良い天頂が特異点（方位回転速度が無限大）となるために、天頂付近が死角となり観測をあきらめなければならないことである。すばる望遠鏡がこの形式の典型例である。近年建設される大型望遠鏡はほとんどこのタイプである。
アマチュア向け望遠鏡で、写真撮影を考えずに、高倍率をあまり必要としない場合には、手動で望遠鏡を観測対象に向けて観測する形式の望遠鏡が利用されることもある。これがドブソニアン望遠鏡である。ドブソニアン望遠鏡は主に経緯台式架台でニュートン型の望遠鏡で、手動でスムーズに望遠鏡が動くように設計されている。架台が簡単な形式ですむため、同じ大きさの他の望遠鏡と比べ極めて軽量に作ることができる。これは、自動車でより夜空が美しい地点に望遠鏡を持ち運ぶ際に有利な点となっている。ドブソニアン望遠鏡の下に簡易的に星の動きを追う機械を置くこともある。これはポンセットマウントとか、ジョンソニアンなどと言われている。他の赤道儀ほど正確に星を追うことはできないが、アマチュアが肉眼で星を見て楽しむには十分な機能を持っている。
[編集] 可視光以外の電磁波を観測する望遠鏡
単に望遠鏡と言えば通常は光学望遠鏡を指すが、他にも電磁波のほとんど全ての波長域について、それぞれの電磁波を観測するための望遠鏡が存在する。
[編集] 電波望遠鏡
電波望遠鏡は焦点を結ぶようにした電波アンテナで、普通は大きな皿のような形をしている。この皿は金属板や金属製のワイヤの網で作られる。網の場合、網の目は観測する電波の波長よりも小さくなっている。電波望遠鏡はしばしば二つ一組で、あるいは複数台同時に使用される。こうすることによって、互いの望遠鏡の距離に相当する仮想的な大口径の望遠鏡と同じ性能を得ることができる。これを開口合成という。1997年には電波天文衛星「はるか」が打ち上げられ、地上の電波望遠鏡との開口合成によって地球の直径の約3倍、30,000kmの口径に相当する解像度を達成している。
[編集] X線・γ線望遠鏡
X線望遠鏡やγ線望遠鏡の場合にはいくつかの問題がある。これらの高エネルギーの電磁波はたいていの金属やガラスを透過してしまい、光学望遠鏡と同様の素材で反射望遠鏡を作ることができない。また、屈折率が1よりも小さいので屈折レンズも作れない。そのため、X線望遠鏡では、金などの重金属でリング状の回転放物面の鏡を作り、この鏡面ぎりぎりの角度に電磁波を入射させることで全反射させて像を結ばせる。γ線望遠鏡にいたっては、それさえできず、各種の素粒子を検出する方法と同様にγ線によって電離した粒子を検知する、などのような方法をとらざるを得ない。
また、X線やγ線は地球の大気で吸収されるため、観測するには望遠鏡を搭載した人工衛星を宇宙に打ち上げる必要がある。
[編集] 電磁波以外を観測する望遠鏡
素粒子や重力波など、宇宙からやってくる電磁波以外の粒子や波動を検出・観測する装置のことを広い意味で望遠鏡と呼ぶ場合がある。例として下記のような装置が存在する。
[編集] ニュートリノ望遠鏡
ニュートリノは電気的に中性で質量がほとんど0に近い、極めて軽い粒子である。通常物質とまったく反応せず、地球すらたやすくすり抜けるので容易に観測されないが、巨大な水槽に水などの液体を大量に溜め、そこを通り抜けるニュートリノがごくわずかな確率で物質と反応した際に発生するチェレンコフ光を検出することで間接的に観測している。日本では、岐阜県の神岡鉱山地下深くに超純水を用いたニュートリノ観測装置「カミオカンデ」及び「スーパーカミオカンデ」を作り、超新星爆発によって生じるニュートリノを観測するニュートリノ天文学を発展させた。
[編集] 重力波望遠鏡
超巨大ブラックホールや中性子星のような非常に重い天体が回転・衝突する時、重力波が発生すると考えられており、実際に連星パルサーの周期の変動などによって間接的に観測されている。この重力波の直接検出を試みる装置を重力波望遠鏡と呼ぶことがある。1960年代にアメリカのウェーバーが巨大なアルミニウム円筒の伸縮を精密に観測して重力波を検出しようと試みたのが始まりで、現在ではレーザー干渉計によって空間のわずかな歪みを観測するなどの方法で重力波を直接キャッチしようという試みが世界各地でなされている。代表的な観測装置としてアメリカの LIGO や日本の国立天文台の TAMA300、ドイツのGEO600 などがある。
[編集] 大型望遠鏡
大型の研究用望遠鏡はほとんどの場合、カセグレン式望遠鏡としてもニュートン式望遠鏡としても使用できる。長い焦点距離で狭い視野を高倍率で観測したい場合には前者を、より明るい視野を使いたい場合には後者を用いる。これらの大型望遠鏡には穴の開いた主鏡とニュートン焦点、そして様々な位置に脱着可能な副鏡とそれを支えるスパイダーなどが設けられている。
1987年には MMT が建設され、望遠鏡開発の新しい時代を迎えた。この望遠鏡は口径1.8mの鏡6枚からなり、これらの鏡を合成して口径4.5m相当の集光力を得る仕組みになっている。この方式はケック望遠鏡に受け継がれている。ケック望遠鏡は口径1.8mの鏡を36枚組み合わせた合成口径10mの望遠鏡である。
現在建設されている世代の望遠鏡は、口径6～8mの主鏡を持っている（地上望遠鏡の場合）。この世代の望遠鏡では反射鏡はたいてい非常に薄く、多数並んだアクチュエータによって最適な形状に保たれる仕組みを備えている（能動光学を参照のこと）。この技術は口径30m、50m、100mといった未来の望遠鏡計画の設計を推進する原動力となっている。
望遠鏡で使われる検出器は、初めは人間の目であった。後に、写真乾板がその地位に就き、分光計が導入されてスペクトルの情報を得ることを可能にした。現在では写真乾板に続いて電荷結合素子 (CCD) のような電子検出器の世代が後を受け継ぎ、感度と解像度の両面で完全な性能に達しつつある。
現在の研究用望遠鏡には以下のようないくつかの装置が付いている。
- さまざまな波長に対応した撮像用カメラ
- さまざまな波長域のスペクトルを得るための分光計
- 光の偏光を検出する偏光計
- その他
近年、地上の望遠鏡において地球大気の悪影響を克服するためのいくつかの技術が開発され、良い成果を挙げている。これについては補償光学を参照のこと。
回折という光学現象があるために、望遠鏡が到達できる解像度や画質には制限がある。一般に点光源は回折によって有限の面積を持つ円盤状に広がって見え、これをエアリーディスクと呼ぶ。エアリーディスクの有効面積で解像度は決まり、これによって、近接する2つのディスクの角距離がどれだけあれば両者を分離できるかが決まる。この絶対的な限界値をスパローの限界と呼ぶ。この限界値は観測する光の波長と望遠鏡の鏡の直径に依存する。（赤い光は青い光よりも早くこの限界に達する。）これは、ある直径の鏡を持つ望遠鏡はある波長ではある一定の限界値までしか像を分解できないことを意味する。従って、その波長でより高い分解能を得ようとすれば、より大きな鏡を作るしかない。
[編集] 有名な光学望遠鏡
- ハッブル宇宙望遠鏡 (HST) は地球大気の外の軌道上にあり、大気による屈折で像の歪みを受けることなく観測を行うことができる。この意味でこの望遠鏡は回折限界までの性能を得ることが可能であり、紫外線や赤外線の波長域でも使われている。
- ハッブルの後継機として、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げが2011年に予定されている。
- Very Large Telescope (VLT) は2005年現在最も口径の大きな望遠鏡である。口径8.1mの望遠鏡4台からなる。チリのアタカマ砂漠に建設され、ESO が保有している。4台の望遠鏡は独立して操作することも同時に使用することもできる。同時に使用した場合、口径 16.2m 相当の集光力となる。
- より大きな望遠鏡の計画もたくさん存在する。その一つが Overwhelmingly Large Telescope (OWL) 計画である。この計画では口径100mの単一鏡を作ることになっている。
- 日本の国立天文台がハワイのマウナケア山に建設したすばる望遠鏡は口径8.2mで、単一鏡の望遠鏡としては2005年現在最も口径が大きい。
- アメリカのパロマー山天文台の200インチ (5.08m) ヘール望遠鏡は１９４８年完成以来、長年にわたって世界一の口径を誇った歴史ある研究用望遠鏡である。ボイジャーなどの惑星観測機やハッブル・すばる望遠鏡など近年の活躍により差し替えられるまで、天文書に載せられる多くの天文写真がヘールによるものであった。この反射鏡はホウケイ酸ガラス（パイレックス）の単一鏡で、開発に困難を極めたことが知られている。架台もユニークで、赤道儀式だがフォーク式ではなくホースシュー式である。この方式もフォーク式と同様に北極近くを撮像できる利点がある。
- アメリカのウィルソン山天文台の100インチ (2.54m) フッカー望遠鏡はエドウィン・ハッブルが銀河や赤方偏移を発見した望遠鏡である。反射鏡はサンゴバン社製の緑色ガラスで作られている。現在では他のウィルソン山の望遠鏡とともに開口合成望遠鏡アレイの一部となっており、今でも最先端の研究に役立っている。
- アメリカヤーキス天文台の 1.02m 望遠鏡は現在使われている最も大きな口径の屈折望遠鏡である。
- 1888年に稼動したフランスのニース天文台の 0.76m 屈折望遠鏡は、当時世界最大の望遠鏡だった。世界最大の望遠鏡がヨーロッパにあったのはこの時が最後である。この1年後にアメリカのリック天文台の 0.91m 屈折望遠鏡に世界一の座を譲った。
