ミラーレス一眼カメラを使った簡単な分光観測実習
埼玉県立豊岡高等学校
原 正
１．はじめにPaofits で公開している教材を使った授業で生徒に対してアンケートを実施したところ、どの教材の場合も共通に「自分でも観測をやりたい」という希望する生徒の割合が３割から４割はいる。現在公開している教材では、ハッブル宇宙望遠鏡や木曽観測所の２ｋＣＣＤなどの研究用の望遠鏡のデータを用いているのが売りでもある。これらの教材では解析について学べるが、観測が実習の中にはない。その観測も含めて体験したいという希望が生徒にはあるということである。

図１．実習後のアンケートの感想部分の集計結果
本校では長年地学を選択している生徒全員を対象に天体観測会を実施している。赤道儀にのせた８ｃｍ屈折望遠鏡を４台使って、月や惑星、恒星の色などの観察を行っている。
この中に観測をなんとか組み込めないかと思ったのが今回の動機である。
２．機材と方法
観測と言うからには、データの解析もできれば理想的である。ただし、多くの生徒を対象とするため、データ取得が容易で、複雑な画像処理を必要としないことも重要な要素となる。今回は簡便性を重視し高い精度は要求しない。画像データの取得には生徒に抵抗感のないミラーレス一眼カメラのレンズ後面に透過型グレーティングを張り、簡単なスペクトルが得られるようにした。データの解析には、解析ソフトマカリを使用する。ＪＰＧ形式の画像をそのままは使うと測光はできないので、グラフ機能を使ってｒｇｂの強さの比を読み取るような実習とした。
1) カメラの選定
これまでレンズの前面にグレーティング、あるいはプリズムを置いた活動が多かった。
しかし、分光装置をレンズ前面に置く方法は対象天体を斜めの方向にとらえねばならず、初心者には天体の導入が難しい。レンズの後ろ面に置く方法は一眼レフのように可動部があるカメラだと、グレーティングとミラーが機械的に干渉する可能性があり避けたい。ミラーレスだとその心配がない。また、受光素子がある程度広くないと、スペクトルが収まらない可能性もある。今回はミラーレスの企画では持つとも広いＡＰＳ－Ｃ規格のものを選んだ。このようにしたことで、カメラを対象にまっすぐ向けるだけで簡単にスペクトルが得られた。
分散した光は弱いので、カメラはある程度高感度の設定ができることが望ましい。
今回使用したカメラボディーは ISO25600 で、研究を始めた当時は最高の感度のものである。
また、使用するレンズの後面に着目し、グレーティングを張り込む場所のある機種を選定した。Sony 社製のレンズはレンズ交換レンズの後面に遮光板があるので、これが重宝する結果となった。今回は上記の条件を満たす Sony 製の NEX-5N に 50mmf1.8 の交換レンズに装着して使用した。

図２

レンズ後面にグレーティングを貼った様子

2)

グレーティングの選択
高校向けの理科教材として販売されている回折格子は分散が小さい物でも 500 本/1mmで透過率も低く、また分散軸と直角の方向にスペクトルが拡がる現象も現れ、あまり飯成果が得られなかった。そこで、ネット販売されているある程度質のよいレプリカグレーテ
ィングを手に入れた。

図３

グレーティングがマウントされた製品

この製品は 35mm スライドフィルム用のマウントに装着されていて、マウントを開くことで簡単にフィルム状のグレーティングが得られる。レンズに合わせてカットし、接着テープで遮光板に貼り付けることができた。今回は分散が異なる 530 本/mm と 140 本/mmのものを１枚 1800 円で購入できた。
実際に撮像に使ってみると、530 本のものは分散が大きく、スペクトルは画角に収まる物の、１等星でも十分な明るさが得られなかった。授業では 140 本の方を使った。オリオン座が全体に入るし、１等星ならばカメラのビュワーでもスペクトルとともに確認できるので重宝した。
3)

観測
放課後１時間程度で、望遠鏡による月、惑星、恒星の観察を行い、最後に写真を撮らせた。三脚に先ほど来説明しているカメラをのせ、ベテルギウスとリゲル、あるいはカペラなど、色のはっきり異なる恒星を１人あたり２枚撮影させた。天体の導入はコンパクトカ
メラで写真を撮るときのように、三脚の雲台を自分で操作してとらえさせた。どの生徒もライブビューを見ながら簡単に撮像できた（図４）。また、今回ライブビューを使うことで、数人で確認しながら撮像手順を説明できたことも時間短縮に大いに役立った。また、生徒同士でライブビューを見ながら教え合って撮像するようすも見られた。これは、予想しないメリットであった。撮像した後は、ログをノートに書かせた（図５）。そんなこんなで観測自体は８名程度の参加者で１０分もあれば終わる。

図４

ライブビュー

図５

観測ログ

携帯のデジカメと同じ感覚でサンプルを捕らえられる

失敗も必ず記入するように指示する

4)

データの解析
図６は生徒の撮像したスペクトルである。三つ星も写っているので何を撮影したものか後で判断できる。データの配布は全員分をＵＳＢメモリにコピーして、ログを見ながら自分のデータだけ使うようにした。ＵＳＢメモリにはインストール済みのマカリのフォルダをそのままコピーしておいた。マカリはフォルダ直下のアプリケーションを起動することで問題なく機能を使うことができる。

図６

ベテルギウスを中心としたオリオン座上部星の色をデータ化するために、ｊｐｇ画像をそのままマカリで開いてグラフを作成する。
分散は横方向だけでなく若干上下にも起きており、特に長波長側でそれが著しい。そのため、グラフ化するデータ領域は直線ではなく、矩形選択で行った。矩形はあまり大きくするとピークの値が空の明るさで平均化されるので、できるだけ見えている一次スペクトルの近くを選択するように指示した。グラフの表示プレーンを変更して青と緑のみを個別に表示する。空の明るさ（スカイ）とピークの値を読んでワークシートに記入する（図７）。
データは矩形を３回取り直して読み取るようになっている。また、色の異なる恒星を２つデータにするので、６回の読み取りが必要である。今回は二人で１台のＰＣを使ったので、２時間の授業時間を要したが、一人一台にすれば１時間に収まる。

図７

測定場所を示す図。ワークシートに載せた。

ピークの値からスカイの値を引いたものを B および G の観測値とした。３回測定した Bと G の観測値の平均を使って B/G を計算させた。求めた B/G の値について考察を加えてワークシートを提出させた。B/G は色指数 B-V を模したものである。
３．結果
生徒が求めたデータの分析をしてみた。生徒が求めた B/G の値のうち、ベテルギウスとリゲルをセットで撮影したもののみ結果を図８に示す。

図８

生徒の得た値の分布

ベテルギウスは 0.5 付近に、リゲルは 1.0 付近に値が集中している。生徒の値を相互に比較すると、ばらつきはあるが、個人の求めた値に直目すると、一人の生徒をのぞいて、赤いベテルギウスは下に、青いリゲルは上に分布している様子が見られる。逆転していた生徒は観測には参加しておらず、友人のデータを使っているので、恒星の同定を誤ったものと考えられる。
以上から、今回の方法でリゲルとベテルギウス程度ならば数値的に区別できることがわかった。
以上、ミラーレス一眼カメラを使ってデータを得るところから実習を組み立ててみたが、この種のカメラは高校の現場で科学的な探求を体験させるのに有効に働く可能性が見えた。
さほど説明を加えなくても生徒はシャッターを押すだけに近い状態でデータがとれ、解析にも複雑な処理を施さずにこのような結果を得ている。今回のような体験させることを目的とした活動では、高い精度は必要ではなく、むしろ実践にあたって仕組みが簡単であることが重要である。今回の観測装置はこのような用件を満たしており、手軽に授業に取り入れることが可能であることを示している。