中学校と高専の連携による天文教育（その２）－21－

中学校と高専の連携による天文教育（その２）～中学校科学部員に天文学研究の面白さを体感させよう!!～竹内彰継（米子工業高等専門学校）、入川琢仁（米子市立湊山中学校）
1. はじめに

2. 研究テーマの設定「中学生に天文学研究の面白さを体感して研究テーマの設定は極めて重要である。テ

もらいたい!!」そのような思いを抱き、昨年

ーマは科学部員が興味を抱くと同時に彼らに度から米子工業高等専門学校（以下「米子高理解でき、さらには解析可能なものでなけれ専」）教員と米子市立湊山中学校科学部顧問がばならない。また、米子高専の機材で観測・連携して同中学科学部員に天文学研究の指導解析可能なものでなければならない。
ところで、2017 年は 9 月 15 日に惑星探査を行っている[1]。
具体的には、適切な研究テーマを与えて機「カッシーニ」が長い任務を終えて土星大①事前学習→②観測→③解析→④考察→気に突入するという大きな天文イベントがあ⑤発表→⑥将来の展望⇢①にもどるった。そこで、科学部員が土星に興味を持つの 6 段階のステップをたどってもらい、毎年だろうとの予測から、土星を研究テーマに選同じサイクルが繰り返せるよう工夫した。

ぶことにした。さらに、昨年同様中学生にはちなみに、昨年度は 「 流星の発光高度と消多少難しいテーマにした方が問題意識も高ま滅高度の測定」という中学生には難しい研究るとの判断から、土星の「環の衝効果」を研を行ったが、科学部員のモチベーションは非究テーマとすることにした。

常に高まり、新しい研究にも喜んで飛びつい

土星の環の衝効果とは、土星が衝の頃そのてくれた。その結果、今年度も①から④まで環が通常より明るく輝き、土星本体より明るのステップは極めてスムーズに進んだ。

くなる現象のことである。これは、衝近くでまた、⑤の研究発表では、審査員に天文学は観測者の視線と太陽からの光線がほぼ平行の専門家がいないと予想されたため、相当周となるため、環を構成する粒子の影が見えな到な事前準備を行った。その結果、非常に高くなり、その結果環が通常より明るくなるとい評価をいただくことができ、最優秀賞受賞

説明されている[3]。
そこで、まず①本当に「環の衝効果」が起となった。
さらに、単に研究発表するだけではなく、こっているか観測で確かめる。そして、衝効データ解析の過程で制作した写真を天文ガイ果の発生が確かめられたら、②土星の環の模ド誌の読者の天体写真月例コンテストに応募型を作り、人工的に衝と同じ条件を作り出し、したところ努力賞が受賞できた[2]。

本当に衝効果が発生するか実証実験を行うこ

最後に⑥の反省会を行ったところ、今回のととした。

研究の経験を喜ぶ声に加え、さらに一歩進ん2017 年の土星の衝は 6 月 15 日であり[4]、だ研究を行いたいという意見もあり、彼らの梅雨入りが心配された。しかし、2017 年の梅自発的研究サイクルが継続していることがわ

雨入りは運良く 6 月 20 日と例年より遅く、かった。

さらに梅雨明けは 7 月 13 日と例年より早か以下その結果について報告する。

った。そのため比較的観測の機会に恵まれ、十分なデータをとることができた。

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－22－■ 投稿 ■

また、観測は 5 月 23 日、5 月 29 日、6 月

3. 事前学習中学校では 3 年生の秋から冬にかけて天文関係の学習を行う。そのため、科学部員で天4 日、6 月 9 日、6 月 13 日、6 月 14 日、6 月17 日、7 月 13 日の計 8 回行った。

文の学習をした者はいなかった。
そこで、インターネットを使って「土星」、「カッシーニ」、「土星の環」、「土星の公転周

5. 解析
5.1

土星画像の RGB 合成期」、「土星の大きさ」などいくつかテーマをまず、撮像した土星の AVI ファイルを、動設けて、分担してレポートにまとめ、お互い画をスタックして 1 枚の画像にまとめるソフのレポートを読み合って学習し合い、理解をト「AutoStakkert2」でスタックした。なお、深めてもらった。

AutoStakkert2 には画像の良否を判定する機

また、11 月の湊山中学校の文化祭では、今能があり、今回は良像 30％のみを使用した。

回の研究成果を展示し、研究活動を保護者やまた、スタックされた画像は Tiff ファイルと他の生徒にアピールした。

して保存した。
続いて、画像にウェーブレット処理を行い惑星面などの淡い模様を強調するソフト

4. 観測
観測は米子高専の惑星撮像専用望遠鏡を利「RegiStax」で、スタックされた画像にウェ用して行った（図 1）。これはタカハシの JPーブレット処理を施した。そして、最後に画型赤道儀に口径 8cm、焦点距離 91cm の屈折像処理ソフト「WinJUPOS」を使って RGB望遠鏡三本を同架したもので、三本の望遠鏡合成を行い土星のカラー画像を得た。

それぞれで惑星の R（赤），G（緑），B（青）画像を撮像し、PC 上で RGB 合成して、超色消し画像を得る望遠鏡である[5]。
なお、各望遠鏡にはタカハシの 2 倍バーローレンズをつけて焦点距離を伸ばし、さらに5.2土星の環の衝効果の検出

RGB 合成した土星画像で、本体と環の明るさの比は画像処理ソフト「Stella Image」を使って調べた。

ZWO 社の CMOS カメラ ASI120MM を取付

図 2 の上は 6 月 13 日の土星画像で、下はけて撮像を行った。露光時間は 0.2 秒、フレ土星の中心を通る水平な線（図 2 上の水平なーム転送レートは 5fps で、RGB 各 6 分間×3線）上での明るさの分布図である。図 2 下よ回撮像し、AVI ファイルとして保存した。

り、環の方が本体より明るく「衝効果」が起こっていることが分かる。
土星の環と本体の明るさの比は、衝が近づくにつれて大きくなっていった。この様子をグラフにしたのが図 3 である。図中の曲線は最小二乗法でデータに二次曲線をあてはめたものであり、衝の 6 月 15 日に近づくにつれて環が明るくなっていき、衝を過ぎると暗くなっていくことがわかる。
以上のことから土星の環の衝効果が検出できたと考えられる。

図1

米子高専での観測風景
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土星の衝
6 月 15 日

図3

土星の環と本体の明るさの比の時間変化

衝に近づくにつれ環が明るくなっていく。

図2

上は 6 月 13 日の土星画像

下 は土 星の 中 心を通 り水 平な線 上で の明る さの分布図。

さらに、土星の環の衝効果を検出した作品

図4

12 億分の 1 の土星の模型

を天文ガイド誌の読者の天体写真月例コンテ

環 の上 に楊 枝を 多数 立て て環の 粒子 を模擬 的ストに応募したところ努力賞となった[2]。に表現した。

6. 土星の環の衝効果の実証実験[3]。そこで、12 億分の 1 の土星の模型を製

6.1

作し、本当にこのメカニズムで環の衝効果が土星の模型の製作

土星の環の衝効果は、衝の頃観測者の視線発生するか実証実験を行った。本体は発泡スと太陽からの光線がほぼ平行となるため、環チロール球、環はアクリル板を白く塗装したを構成する粒子の影が見えなくなり、その結もの。そして、環の上に楊枝を多数立てて、果環が通常より明るくなると説明されている環を構成する粒子を模擬的に表現した（図 4）。

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■ 投

図5

稿 ■

ハロゲンランプを太陽に見立て、実験室内で実証実験を行った。

図 7

実証実験での土星の環と本体の明るさの比の時間変化衝効果が発生している。

6.2

土星の環の衝効果の実証実験

図 5 のようにハロゲンランプを太陽に見立て、実験室内で実証実験を行った。このとき、実際の太陽－土星間距離が約 10 天文単位であることから、土星の模型をハロゲンランプから 10m 離し、300mm の望遠レンズに CCDカメラをつけたものを地球に見立て、（ 太陽地球間距離は 1 天文単位なので）ハロゲンラン
図6

衝の位置で撮像した土星の模型

プから 1m 離れた所に置き、衝の 2 か月前、

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1 か月前、衝の位置で土星の模型を撮像した。
なお、近年土星の環の傾きがほぼ最大になっていることから、鉄製スタンドを利用して土星の地軸の傾き約 25°を再現した。
図 6 上は衝の位置で撮像した土星の模型、下は土星の中心を通る水平な線（図 6 上の水平な線）上での明るさの分布図である。衝の位置で撮像したため、土星の環の粒子に見立てた楊枝の影が見えていないことに注意すべきである。
図 3 と同様に、土星の環と本体の明るさの比の変化を示したのが図 7 である。図中の曲線は最小二乗法でデータに二次曲線をあてはめたものであり、衝に近づくにつれて環が明るくなっていき、衝を過ぎると再び暗くなっていくことがわかる。
現実の土星では、環は衝効果によって土星本体より明るくなるが、実証実験ではそこまで明るくならなかった。しかし、実証実験では土星本体は白い発砲スチロール球であり、土星の環を構成する粒子は楊枝で再現しているため、そもそも反射率が違い、そこまで明るくならなかったと考えられる。本実証実験

図8

研究発表会で使用したスライドアニメやイラストを多用して説明した。

では、土星の環が本体より明るくなることが重要ではなく、衝付近で通常より明るくなることが重要である。
したがって、図 7 より本実証実験で衝効果の再現に成功した、つまり土星の環の衝効果は粒子の影が見えなくなることによって生じているとする従来の説を支持する結果を得たと考えられる。
7. 研究発表
今回の研究成果を鳥取県西部地区科学研究

図9

研究発表会での記念写真発表会で発表した。しかし、研究発表では天文学専門の審査員がいないことが予想された。

そこで、少なくとも「正当」な評価をして中学校の科学研究発表会では、ほとんどがいただくために相当周到な事前準備を行った。

生物・化学分野の発表であり、審査員も自分発表時間は 15 分と非常に短かったが、図 8が理解できる分野の発表を高く評価する傾向のようにアニメーションで土星と地球の動きがあると予想される。

を再現し、衝の前後で土星と地球の位置関係
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－26－■ 投がどう変わるかを丁寧すぎるほど丁寧に説明した。また、「衝」や「合」といった天文学特有の用語もイラストを多用して説明した。
このような準備のかいもあり、最優秀賞を受賞することができた（図 9）。また、審査員の方々からも「土星というとても大きなスケールの研究を、模型を作り理科室の中で収ま稿 ■Vol.29, No.1, pp.87-92[2] 『月刊天文ガイド 2017 年 11 月号』，誠文堂新光社，p.152[3] 安達誠編（2009）『惑星観測』，誠文堂新光社，p.153[4] 天文年鑑編集委員会編（2017）『 天文年鑑』，
誠文堂新光社，pp.146-156

る規模にスケールを落として検証するという[5] 竹内彰継・山脇貴士（2017）『アクロマー手法が素晴らしい。」とか、「地域の研究機関

ト屈折望遠鏡を超色消しにする方法』，天文（米子高専）と連携することで、より高度な教育，Vol.29，No.6，pp.53-58

機材・設備を活用しながら、研究を深めることができていて、良い取り組みである。」とかお褒めの言葉をいただいた。
8. 将来の展望
発表会後反省会を行ったところ、科学部員から以下のような発言があった。
・ 宇宙の研究を理科室の中でモデルを工作して検証するのが面白かった。
・ 研究発表会での質問が、結構鋭いものが多く、ち密な発表準備が必要だと思った。

竹内 彰継

より専門的な知識を身につけていきたい。
非常に前向きな発言ばかりで、彼らが自発的な研究サイクルに入ってくれたことがわかる。来年度もこのような支援を続け、最終的には彼らだけで研究サイクルをまわし続け、天文学研究の面白さを体感し続けてもらえるようにしていきたい。
文献[1] 竹内彰継・入川琢仁（2017）『中学校と高専 の 連 携 に よ る 天 文 教 育 』， 天 文 教 育 ，

天文教育 2018 年 1 月号（Vol.30 No.1）

入川 琢仁