高校生への星食観測指導と天文学への貢献
宮崎県立宮崎北高等学校
河野 健太
１．
研究の目的んでいる（図１）。

（１）教育現場における天文活動（３）高校生による天文学への貢献

高等学校理科の教育現場では、地学分野以上のことから本研究の目的は、高等学に関する教育が十分であるとは言い難い。

校の探究活動で星食観測を取り扱い、正確特に天文学においては、指導者も少なく夜な観測結果を取得・報告させ学術的にも満間活動が多いため深く学ぶことは希である。

足できる活動を開発することである。

しかし、天文学において、天体の運動解

また、自作の機材による観測と、自作プ析を学習する際には物理学の知識が応用でログラムによる光度解析を行うことによりきる。星座などの天球上の移動に代表され天文学への理解を深める。

る「地球から見た天体の動き」と、万有引力の計算に代表される「宇宙から見た天体の動き」など視点や考え方の切り替えも必要となり、学習活動の題材としては大変魅力的である。授業で扱うことが難しくても、探究活動の題材としては大変有効であると考える。
全国的に高校で取り組まれている天文活動としては、観望会の他に太陽観測、月面観測、流星観測などが一般的である。しかし、これらの活動では観察にとどまり、新たな知見を得て天文学に貢献することは難しい。

図１ 星食観測を行う生徒観測場所は宮崎北高校屋上である。

また、高校生の天文活動支援として「高校生天体観測ネットワーク（Astro-HS）」1）

２．観測方法があるが、今年度は解散することが決まっ（１）星食とはており、活動は行われていない。

星食とは小惑星や月などによって恒星が（２）宮崎北高校科学部地学班隠される現象である（図２）。 掩蔽（えん

令和２年度現在、宮崎北高校科学部にはぺい）ともいう。日食も掩蔽現象のひとつ40名が在籍し、そのうち７名が地学班としである。一般的には月による恒星の掩蔽をて天体の研究を行っている。

「星食」 と表現する。 小惑星による恒星の彼らは定期的な星空観望会や、流星観測、掩蔽は「小惑星による恒星食」と表現する。

太陽観測なども行っている。現在は２年生

星食を観測することにより、小惑星や月４名が星食を主な研究テーマとして取り組の正確な形状や、背景の恒星までの正確な− 61 −

図２ 星食の概要図
地球に投影された月影の中（限界線の間）で星食が観測できる。

距離を把握することができる（｢星食ハン図３ Occult Watcher星食情報が自動更新で配信される。限界線などの情報も充実している。

ドブック2020｣） 2）。現在の天体の基準座標を与えているヒッパルコス星表には多少のイムインポーザーの機能が一体となった誤差が含まれており、世界掩蔽観測者協会

GPS-COROを通してビデオ映像に記録する。

IOTA （International Occultation Timing

ビデオ映像はソフトウェアエンコード式のAssociation）

3）

が世界中から観測データを集めて補正を行っている。

ビ デ オ キ ャ プ チ ャ 装 置PC-SDVD/U2Gを 用いてパソコンに保存する。キャプチャソフ

日本でも星食観測日本地域コーディネー

ト は、 星 食 観 測 専 用 ソ フ トLimovieの キ ャ

タ ー JCLO（Japanese regional Coordinator of

プチャ機能を使用する（図４）。 観測場所

Lunar Occultation observation） や掩蔽観測者

は 宮 崎 県 立 宮 崎 北 高 校 屋 上 で あ る（ 東 経で つ く る ネ ッ ト ワ ー クJOIN（Japan Occul-

131度26分6.3秒、 北 緯31度58分14.6秒 ）。

tation Information Network） が 掩 蔽 情 報 を 集

な お、 観 測 で き る 視 野 角 は 約0.5度 と 目 視めている。
（２）星食情報の取得
星食の情報は「天文ガイド」 4） や「天文年 鑑」 5）（い ず れ も 誠 文 堂 新 光 社） な ど の書籍や、掩蔽観測ネットワークJOINの方が運 営 す る 星 食 情 報 サ イ ト 6）、「OccultWatcher」 な ど の 星 食 予 報 ソ フ ト を 使 用 する。いずれも掩蔽される恒星の光度、減光量、減光時間や、小惑星の影となる地域の情報や発生時刻が示されている（図３）。
（３）観測機器
星食の正確な観測時刻を記録するためにビデオ観測を採用する。天体の導入反射式
望 遠 鏡（ ニ ュ ー ト ン 式、 口 径200mm、 焦 点
距 離800mm） と 赤 道 儀 タ カ ハ シEM-10に 高感度CCDカメラWAT-910HX/RCを取り付けて行う。 正確な時刻はGPS時計とビデオタ

図４ 観測装置
望遠鏡に取り付けたCCDカメラの映像は、GPS-COROを経由して時刻情報が付与される。
映像信号分配器を通して確認用モニターとUSBキャプチャ装置に映像を送る。USBキャプ
チャ装置に送られた映像は、記録用パソコンで録画する。

− 62 −

できない狭さなので、星図を元に明るい星を辿りながら目的の恒星を導入する。
（４）解析ソフト
星 食 観 測 専 用 ソ フ トLimovieを 用 い る。
Limovieは星食を記録したビデオを測定し、天体の様々な情報を得るために開発されたソフトである。今回は動画キャプチャの他、恒星の測光と光度曲線の作成に用いている（図５）。

図５ Limovieの解析画面画面中心の二重丸が測光領域である。星像エリアからバックグラウンドエリアのカウント数を減算し、星だけの明るさを検出する。
動画解析が可能で、星像の時間変化をグラフ化できる。

図６ 恒星SAO78135の出現
右上の白い部分は月明かりである。上の画像では恒星は月に隠れているが、下の画像では暗縁から出現した。
かった。
な お、 こ の 時 の 高 感 度CCDカ メ ラ は

３．
生徒による観測と解析

WAT-100Nを使用している。

（１）観測結果（２）解析結果

生徒はこれまで（表１）に示す星食観測を行ってきた。

現象の光度曲線を作成したところ、２段階の増光が見られた（図７）。SAO78135は二重星であることが知られている。撮影した動画には雲が多く、この光度変化が雲によるものか、二重星の出現によるものか検表１ 生徒による観測（世界時間）証した。

この中で現象を撮影できたのは2019年10

フレーム数が多いため、30fpsで記録され月20日17時01分（世界時間）に観測したふて い る 動 画 を10fpsに ビ ン ニ ン グ し、 検 定

た ご 座 の 恒 星SAO78135の 月 に よ る 恒 星 食する数値の平均からのずれを標本全体の標であった。これは月の暗縁から恒星が出現準偏差で割った値の大きさで二重星の出現する現象であった（図６）。 当日は薄曇りを検定した。この値を基準値とよぶ。１つで動画にも雲が流れており、好条件ではなめの星の出現は基準値が５σを超えた点だ− 63 −（３）考察二重星の出現間隔を計算によって求め、解析結果が正しいか検討する。ここでは便宜 上 先 に 出 現 し た 星 を η 1、 後 に 出 現 し た星をη2 とする。
ま ず 球 面 上 の 座 標 を も と に、 月 が η 1 とη 2 を通過する見かけの距離を求める。Aを図７ 恒星出現を示す高度曲線
縦 軸 は カ ウ ン ト 数、 横 軸 は フ レ ー ム 数（30fps）である。測光を始めて460フレームあたりから増光が見られる。

η 1、Bをη 2、Cを北極星とおき、斜角球面
三 角 形 Ａ Ｂ Ｃ を 作 り、 余 弦 定 理 よ りAB間の角距離 c を求める（図９）。
Aの赤経は６h14m52.695s、赤緯は22° 30’24.56”である。Bの赤経は６h14m52.569s、赤と定めた。増光後は明るさの変化が激しい

緯は22° 30’24.31”である。ここで、ため移動平均を取り、１つめの星が出現しａ ＝ 90°－Bの赤緯た後のフレーム中で１σを超えた部分を２

ｂ ＝ 90°－Aの赤緯つめの星の出現と定めた（図８）。

θ ＝ Aの赤経－Bの赤経以上より、２段階増光があったと判断しとおく。これを余弦定理た。解析の結果、二重星の出現間隔は3.00±0.10秒となった。に代入し、角距離cを求める。

図９ 斜角球面三角形
天球上に三角形ABCを描く。AとBが二重星である。角度θ は実際よりもかなり大きく表現している。
角 距 離cか ら、 二 重 星 の 見 か け の 距 離 を
図８ 二重星の出現を示す基準値
縦軸は各点のカウント数の平均からのずれを標本全体の標準偏差で割った値である。基準値とよぶ。横軸はビンニング後のフレーム（10fps）である。下の画像はη1出現後を拡大し、基準値を取り直したものである。移動平均グラフより、明確な２段階増光があると判断した。

求める。

式（１） で 求 め たxの ２ 倍 が 二 重 星 間 の見かけの距離である（図10）。

− 64 −

図10 二重星間の見かけの距離
上記でxを求めれば、その２倍が月の移動していく距離となる。

図12 楕円軌道の月面速度
天文シミュレーションソフトから月と地球の距離を調べ、速度を計算した。

二重星間の見かけの距離を月の平均公転速度で割ることによって連星の出現時間の力学的エネルギー保存の法則差が算出できる。その結果、3.16秒となった。
しかし、月は地球の周りを楕円軌道で公転しているので公転速度が一定ではない。
よって観測当日の月の公転速度を求めるたと、ケプラーの第二法則

め、作図によりθ を求める。実際の値を縮尺したものを模造紙に作図して求めたところθ ＝87.3となった（図11）。

より、当日の月の公転速度はv’=1014.6 m/sとなった。式（１）で求めた見かけの距離をv’ で 割 る と、 二 重 星 の 出 現 間 隔 は3.19秒となった。これは概ね解析結果と一致しており、曇天の中でも正確に観測できたと考える。
４．生徒による自作装置（１）Arduinoを用いたＧＰＳ時計
星食観測を全国に広めるためには、高価な機材を揃えることがハードルとなってい図11 模造紙に楕円軌道を描く生徒
ひもを用いて正確に楕円軌道を描き、天文シミュレーションソフトで調べた月と地球の距離を書き込んでいく。

る。そこで、まずは正確な時刻を刻むＧＰＳ時計を自作し、その方法を公開することで星食観測の輪を広げようと考えた。
Arduinoを用いた。準GPS時計の制作にはArduino

次に力学的エネルギー保存の法則とケプ

天頂衛星みちびきの信号を受信できる

ラーの第２法則を用いて当日の月の公転速

GNSS（GPS・GLONASS・QZSS） 受 信 機 キ度を求める（図12）。

ッ ト と 併 せ て5,000円 程 度 で 制 作 で き た（図13）。
− 65 −

図14 自作プログラムで求めた光度
縦軸は１ピクセルあたりのカウント数、横軸はフレーム数。星の出現を捉えている。

図13 生徒による自作GPS時計
Arduinoを用いて制作している。写真左上
は衛星との通信アンテナ。
こ の １pps信 号 の 点 滅 を、 光 フ ァ イ バ ー
を通して望遠鏡の先端へ写し込めば、簡易的に正確な時刻を動画に記録することができる。
（２）自作プログラミングによる測光
曇天時の観測映像や、明るい月縁から星表２ Occult Watcherによる食の予報が出現するような場合には、Limovieでは正確に測光することが難しい。また既存の測（２）解析結果
撮 影 し た 動 画 をLimovieで 測 光 し た と こ

光ソフトだけを使用しては、具体的な測光方法がブラックボックスとなってしまう。
そこで、生徒はプログラミングによりオろ、光度曲線に明らかな減光が確認された（図17）。
この光度曲線から、減光開始時刻は14時リジナルの測光プログラムを作成し、自由25分44.4秒、 減 光 終 了 の 時 刻 は14時25分

度の高い測光を試みている。
現在、すでに恒星の出現を示す光度曲線57.4秒となり、約13秒の減光が観測された。

は 作 る こ と が で き る（図14）。 現 在 は 測 光

今回の結果は、掩蔽観測者ネットワークする天体の追尾機能をプログラムしている。

JOIN （Japan Occultation Information
Network）へと報告した。
（３）考察

５．
指導者による観測と解析（１）観測結果

光度曲線の形に二段階の減光が見られる

今回は世界時間2020年７月30日14時25分

ため、未知の二重星の発見も考えられた。

43秒の発生を予報された小惑星による恒星もしそうであれば国内５例目となる大発見

食（表２）を観測した。なお、恒星のおおである。

よその場所は（図15）に示す通りである。

しかし、JOINのメンバーによって減光前撮影した動画には恒星の減光が見られたの光度曲線の周期的な変化が３DNR（３次（図16）。

元ノイズリダクション）機能を使用した影− 66 −

図16 減光前（上）と減光中（下）減 光 す る 恒 星UCAC4324-180975。 時 報 は
GPS-COROによって挿入された世界時間。

図17 減光を示す高度曲線
縦軸は天体の明るさを示すカウント数、横軸は動画の１/30秒ごとのフレームである。
図15 恒星UCAC4324-180975の位置
いて座の一部に位置する。最も下の図は約0.5度の視野角を表示している。モニターに映る範囲と同じである。

響の可能性が指摘された。３DNRは今回使用 し たCCDカ メ ラ（WAT-910HX） に 搭 載されている機能である。ノイズを低減して− 67 −

動画を見やすくする反面、周期的な光度変けて導入している。生徒でも十分に行うこ化が起きるため、星食観測では使用するべとができる。

7）

きでは無い（Tony George et al. 2020） 。

生徒が観測する際は高感度CCDカメラのよって、減光は確実だが二重星の発見については結論が出ないままとなった。

設定に注意する必要がある。先に述べた３DNR機能やゲイン調整などを行うと、光度また、報告した観測結果をもとにJOINの解析に支障をきたすためである。微光星を広瀬敏夫氏によって、観測結果の整約図が導入する際も、露出時間の変更にとどめて

公 開 さ れ た（図18）。 予 報 で は 小 惑 星 の 直おく必要がある。

径は139kmであったが、観測結果より146km

また、観測から報告までの期間もできるの円が描けた。これは、小惑星のいびつなだけ短くすべきである。今回は観測翌日に形状に関係すると考えられる。複数箇所のはJOINへ報告したが、生徒の場合は解析に観測結果があれば、小惑星の形状を特定す数日を要することがある。

ることも可能である。そのために、全国のなお、今回の観測結果は「天文ガイド」

高校生に星食観測の輪を広げたいと考えてや「天文年鑑2021」などに掲載される予定いる。

である。
６．天文学への貢献
星食の研究が生徒の意識にどう関係しているかアンケート調査を行った。
ア ン ケ ー ト はGoogle Formを 利 用 し、 これまで他校で指導してきた卒業生も含めて17名を調査した。内訳は、卒業生10名、高校２年生４名、高校１年生３名である。研究内容の内訳は、星食研究４名、日食現象３名、太陽に関する研究１名、流星に関する研究９名である。
入学前生徒の天文学への興味はばらつきが 多 か っ た（図19）。 し か し、 研 究 を 重 ね

図18 広瀬敏夫氏（JOIN）による整約図
観測結果をもとに恒星を隠す小惑星の大きさを示している。観測数が多ければ、より正確な形状が判明する。

ることで天文学への興味が増していることがわかる（図20）。星食の研究についても、その変化が顕著である。
天文学の研究は、パソコンでデータ処理をする時間が長く、生徒には苦痛では無い（４）生徒による観測との比較かと予想していたが、現役生も含めて研究今回は小惑星による恒星食を観測した。

を楽しんでいた（図21）。

月による恒星食と比較して、対象星を見つ研究を通して天文以外でも「未知のことけることが格段に難しくなる。経験と慣れに挑戦しよう」という意識を持ったか調査が必要だが、今回はモニターと天文シミュした結果、大部分の生徒が主体性を持ってレーションソフトを見比べながら時間をかい た（図22）。 特 に 星 食 研 究 で は そ の 比 率− 68 −

図19 入学前の天文学への興味

図23 天文学へ貢献できたと思うかが高かった。
天文学への貢献度意識を調査した。大多数の生徒が自分たちの研究結果が天文学に少しは貢献できたと答えた（図23）。今後、星食研究を行う生徒が自信を持って「とても貢献した」といえるようにすることが本研究の目的である。
図20 部活動経験後の天文学への興味

７．まとめと今後の展望
小惑星による恒星食は、月による星食に比べて観測が難しい。無数の天体から見つけ出した恒星が、予報時間に見事に減光した瞬間の感動は筆舌に尽くしがたいものがある。月による恒星食も、対象の星の消失や出現の様子を見ることは宇宙空間の天体の動きを実感できる。 星食現象の観測は,生徒に研究の感動と満足感を与えることができると考える。

図21 天体の研究は楽しかったか

また、気象条件によっては観測できないこともあり、一期一会の観測を大切にしようとする気持ちを育成できる。これが主体的に研究を行う姿勢の涵養につながる。
今年度は新型コロナウイルス感染症流行のため、休校が相次ぎ部活動の研究時間も満足に取ることが出来なかった。研究成果を発表する大会も、多くが中止もしくはオンライン開催となり、研究者との意見交換もままならなかった。

図22 研究の意識は変化したか

今後は、生徒の星食観測の機会をさらに− 69 −

増 や し、JCLOやJOINへ の 報 告 を 増 や し て【参考文献】

いく。また、星食観測の輪を広げるために、

１）塚 田健らによるホームページ「高校生自作モジュールや自作プログラムの指導も天体観測ネットワークAstro-HS」

続けていきたい。

https://astro-hs.sakura.ne.jp/２）相 馬充・鈴木寿・渡辺裕之・宮下和久

謝辞「星食ハンドブック2020」（星食観測日

本研究をまとめるにあたり、まずは助成をいただいた公益財団法人下中記念財団お本地域コーディネーター）2020年
３）IOTAホームページ

よび関係者の方々に感謝を申し上げます。

http://www.lunar-occultations.com/

研究におきましては、広瀬敏夫様ならびにJOINの皆様にも多くの助言をいただきま

iota/iotandx.htm４）
「天文ガイド2020年４月号～９月号」（誠した。また、宮崎大学工学部の山内誠先生、宮崎北高等学校の黒木和樹先生、長友優樹

文堂新光社）2020年
５）
「天文年鑑2020」（誠文堂新光社）2020

先生、菊池高弘先生にも生徒への指導助言を多くいただきました。この場を借りて、年６）早 見 勉 氏 に よ る ホ ー ム ペ ー ジ「HAL星深く感謝いたします。

研」http://www.hal-astro-lab.com/
７）Tony George et al. “Never Use ３DNR
Camera Setting”2020＊ 広 瀬 敏 夫・ 相 馬 充「 天 体 観 測 の 教 科 書
星食・月食・日食観測編」（誠文堂新光社）2009年＊森岡怜生・濱川咲笑・木田真太郎・菊池慶祐「月に隠れていたのはふたご！？～月によるふたご座η星の掩蔽観測～」2019年（第 ３ 章｢生 徒 に よ る 観 測 と 解 析｣に お いて指導した生徒たちの熱心な研究を反映し、加筆したものを掲載している）− 70 −

河野 健太先生（こうの けんた）
＜略歴＞
1985年

大分県別府市生まれ

2010年

宮崎大学大学院工学研究科
応用物理学専攻 修了

2010年

高千穂学園小林西高等学校 勤務

2013年

宮崎県立都農高等学校 勤務

2017年

全 国高等学校文化連盟自然科学専
門部宮崎県理事（現在まで）

2019年

宮崎県立宮崎北高等学校 勤務
現在に至る

＜研究歴＞
2015年



「高校生によるモデルロケットの打ち上げについて」（第54回九州高等学校等理科教育研究会長崎大会）＜勤務校＞
宮崎県立宮崎北高等学校〒880-0124

宮崎県宮崎市大字新名爪4567
電話0985-32-1288− 71 −