デジカメで作る星団の色等級図
埼玉県立豊岡高等学校 原正

１． はじめに
本校の天文部の活動では、単にきれいな空や天文現象を楽しむだけでなく、科学的な活動を取り入れるように心がけている。いわゆる観望だけに終わらないで、観測とその解析にも力を入れている。ただし、天文研究で使われる冷却ＣＣＤは粘弾も高く、ＰＣを側に置いておく必要があるなど、取り扱いに少し難点がある。一方、広く普及して安価に手に入るデジタルカメラならば、撮像した画像からデータを取り出すことが出来たならば、観測を体験できるのではないかと思ったのが動機である。
デジタルカメラのＲＡＷ形式で保存した画像は保存時に圧縮が行われる jpeg などの保存形式に比較してデータに対する演算か行われてない分、科学的な解析に向いていると思われる。さらに、星空公団という研究者団体が作成した RAW2FITS というプログラムを使えば、多くの機種の RAW ファイルを FITS 形式に変換でき、この形式ならマカリで測光も可能である。RAW2FITS は RGB の三色に分解したデータをはき出すので、色指数の扱いが出来るのではないかと考え、星団の色等級図を作成してみることにした。
２．方法
今回試みたのは、散開星団の色等級図である。以下のような観測と画像の整約を行った。
１）撮像
測光する恒星が重ならないように、星団全体がある程度の大きさに映ることを考えて、
M45 や二重星団、M44 など見かけ上大きな星団をサンプルとした。望遠鏡にカメラを直焦点で取り付け、ピントを少しはずした画像を撮影した。
RGB の水平方向の配列があるので、同じ恒星の光が複数のピクセルにまたがるようにするためである。露出は明るい恒星の光が飽和しない程度に抑えたので、暗い天体を犠牲にした。ホワイトバランスは動くと意味がなくなるので太陽光に設定し、以後条件は変えない。
天体

Ｍ４５

ヒアデス

二重星団

Ｍ４４

撮影日時

2013/11/1

2014/01/17

2015/12/15

2016/01/10

23:00

19:00

19:30

23:30

VixenED80Sf

VixenED80Sf

ﾀｶﾊｼ TS130

Nikon AF-S

8cm 屈折8cm 屈折

13cm 反射300mm F4.0

PENTAX K-5

Nikon D5500

望遠鏡
カメラ

PENTAX

K-x

PENTAX

K-x

ISO 感度

3200

320064006400

露出10sec

10sec

1sec 10 枚

1/2sec 4 枚

場所

埼玉県入間市

埼玉県入間市

埼玉県入間市

埼玉県川越市

埼玉県入間市のものは埼玉県立豊岡高校の天文部の活動として観測を行った。

２）一次処理と画像の合成
ダーク画像は撮像時に１枚ごとにカメラが自動で引く設定で撮影した。
フラット画像は天体の観測後、白い壁等を使って得た。
オブジェクト、フラットとも RAW 画像から星空公団の開発した RAW2FITS を使ってＲＧＢ別の FITS 形式に変換する。変換した FITS 画像をマカリで一次処理を行った。
精度を上げる目的で、４枚～２０枚程度の天体画像をマカリで合成し、データ用の画像を得た。
３）色等級図マカリを用いて、青画像、緑画像それぞれ同じ恒星の測光を行う。カウント値からポグソンの公式を使って見かけの等級を求める。等級の基準は画像の中から目的とする星団の比較的明るいグループと同程度の明るさの恒星一つを選んで、ステラナビゲータの天体情
報 Tycho-2 の VT,BT を用いて決めた。緑の画像から得られた見かけの等級を g 等級、青の画像から得られたものを b 等級と呼ぶことにする。また、b 等級から g 等級を引いた値を色指数 b-g と呼ぶことにする。こうして求めた色指数 b-g と g 等級の関係を散布図として表した物が今回描いた色等級図である。
３． 結果と考察
１） 既知の等級と測定した等級
既知の等級とデジタルカメラによる等級を単純に比較してみた。横軸がデジカメによる等級、縦軸が VT 等級および BT 等級である。縦軸と横軸の等級が一致してあまりばらつきが生じずに傾き１の直線に沿っていることが望ましい。
ＶＴ等級とｇ等級1210864212ＢＴ等級とｂ等級1086422244668810101212VT 等級、BT 等級とは、ヒッパルコス衛星のデータに付属する見かけの明るさを示すもので、厳密なことをいうと天文学で使われているＶ等級、Ｂ等級とは異なる。今回は散開星団の主系列星の特徴がわかればよい程度のレベルを目標としているので、問題ないと判断した。上の図のようにほぼ直線的な関係になっているが、明るい星ものが暗く、暗いものが明るく評価されやすいことがわかる。大半は直線関係が明瞭な（この場合は６～１０の４等級差）部分なので主系列は判別できると思われる。

２）Ｍ４５とヒアデス
左の図はＭ４５（プレ-0.500.5

色指数ｂ-ｇ1.51アデス）とヒアデスの色2等級図である。両者の違3いがわかりやすいように、

4

ヒアデス同じ図の上に両者のデー5

プレアデス

タをプロットした。

6

色等級の小さい青い天7体の光度が明るく、赤い8ほど光度が暗い散開星団9の特徴が良く現れている。

ｇ等 10級 11

これは両者ともに比較的若い星団なので、特にＭ４５の方は主系列星の特徴が良く現れている。また、ヒアデスの方がＭ４５よりも傾きが急なのは、ヒアデスの方が古いので明るく青い恒星が赤色巨星になり始めたことを表しているのかもしれない。
３）二重星団
ペルセウス座の二重星

二重星団の色等級図

団の色等級図である。豊-0.500.5

11.5

6
7

岡高校の天文部員が近接した二つの星団の性質を調べてみたいということ8で選んだサンプルである。

9結果としては、両者の色10等級図はほとんど重なっ11ており、距離も年代も同一という結論を得たもの12である。

13観測では露出 10sec と141sec の撮影を行ったが、10sec のものは明るい恒星が恒星の多くが飽和していたため、1sec の物のみを使った。ただ暗い方がノイズに埋もれてしまう（横に広がってしまう）状態になっている。

３）Ｍ４４-0.50M440.5

今回のワークショップで参加者1に実際の作業体験として取組んで1.56もらおうと撮影したＭ４４の色等級図である。望遠鏡は使わず、望7遠レンズでの撮影である。
89101112４）考査
散開星団の色等級図づくりをいくつか試みてわかったことは、やはりデジタルカメラでの色指数（この報告での色指数 b-g）と天文学で使われるＶ等級、Ｂ等級から得られる色指数 B-V とはずれ

BT 等級12111098766ることである。当然のことながら、7カメラに用いられている rgb 各色フィターとジョンソン・カズンズフ

8b = 0.9023BT + 0.8775

ィルターシステムでは波長感度が9ずれているからである。
10

特に今回目立ったことは、カメラによる色指数が、基準にした恒星の色指数 BT-VT に大きく左右されるb等級1112ことである。そのため、撮影した画像の中から BT,VT がわかるものと測定したみかけの等級の一次近似を行い、近似式を用いて補正することを試みた。上の図は縦軸ｂ等級、横軸 BT 等級とした。得られた一次式を用いて、ｂ等級を BT に換算する。同様に g 等級も VT に換算する。その結果、次ページの図のように、色指数の異なる基準星を用いても、色等級図内で各恒星の色指数が大きく異なる状況は回避できた。ただし、補正は一次近似なので、明るい側、暗い側でのずれはある。
一次近似の補正ので、線形性が見える部分だけに限定して使うべきであろうが、今回はそこまで追求していない。各図の直下の情報が基準星を表す。

-0.50より青星基準
0.51.5-0.5066778899101011111212TYC1395-2321-1
VT=7.291より赤い星基準0.511.5TYC1395-2737-1
B-V= 0.25

VT= 6.67

B-V=0.91４．まとめと今後の課題
デジタルカメラの RAW 画像を使うことで「こうすれば色等級図ができる」という教材にはなり得ることがわかった。プレアデスやＭ４４などの若い星団なら主系列星を明らかにできることもわかった。
今回得られた色等級図は明るさの幅が５等級程度である。デジタルカメラの RAW 画像の出力は多くは 14bit なので単純に計算すると 10.5 等級の明るさを測定できることになる。
星団の年齢や距離を求めるにはより等級差のある、いわゆるダイナミックレンジの広い図としたいので、１つの露光時間のみで最大のダイナミックレンジを得るのは難しい。露光時間を変えた画像をいくつか撮影し、明るい恒星、暗い恒星用にターゲットを絞ったデー
タ化を行い、グラフ上で統合することも考えられる。また、等級の補正がある程度効果的であることがわかった。しかし、ダイナミックレンジの拡大にしろ、補正にしろ、これを授業に取り入ることには限られた時間の制約の中では二の足を踏んでしまう。
より正確な色等級図を目指すなら、冷却ＣＣＤ、簡易な方法としてモノクロ WEB カメラとジョンソンフィルターシステムの組み合わせ等が考えられるだろう。
ともあれ、デジタルカメラを使って、比較的近い（見かけ上大きい）散開星団をサンプルに主系列星の性質を学ぶ教材にはなり得る。なにより、観測する体験ができるのである。

参考

星空公団 WEB サイト http://www.kodan.jp/?p=top