太陽 人類の太陽認識と観測

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太陽

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人類の太陽認識と観測

神話信仰

太古の時代から、太陽を人格として捉えた太陽神は世界の多くの神話伝承などで最高神などとして描かれることが多く、太陽崇拝の対象であることも多い。その性質も、昼夜を分け世界を統治する男性神でもあれば、植物を育て恵みを与える女性神として考えられることもあった[63]とともに普遍的な太陽神についての誕生や成立に関する説話は世界各地に伝記および伝承などの形で残されている[64]

古代の観測

アナクサゴラス

太陽を天文学的に観測した初期の例は、古代ギリシアアナクサゴラス(紀元前500年頃 – 紀元前428年頃)が800キロメートル離れたシエネ(アスワン)とアレキサンドリアで同時刻の太陽視差を測定し、三角法で距離と大きさを求めた。これは、地球は平面という前提でなされたもので、距離を6400キロメートル、直径を56キロメートルと算出し「太陽はペロポネソス半島ほどの大きさ」と述べた。実際とはかけ離れた数字だが、当時のギリシア人はあまりの大きさに誰も信じなかったという[65]

地球が球体という前提で距離を計算したアリスタルコス(紀元前310年 - 紀元前230年)が日食時に月と太陽の視差がほぼ同じという観察を根拠に三角関数を用いて月と太陽までの距離を計算した[66]。さらにヒッパルコス(紀元前160年 - 紀元前125年)が精度を高めた計算を行った[65]

宇宙の中心の座

歴史に残る最初の地動説は、紀元前500年頃のフィロラオスだが、彼の唱える宇宙の中心は太陽ではなく仮想的な「火」だった。太陽中心の地動説はサモス島アリスタルコス(紀元前310年 - 紀元前)が観測を元に唱えた[67]

しかし、クラウディオス・プトレマイオス(83年頃 - 168年頃)が確立した天動説型太陽系モデルの体系化を成し遂げた[68]。これを含む古代ギリシア学問はアラビア世界を経て12世紀ヨーロッパが取り入れ、キリスト教的世界観に組み込まれた[69]

中世ヨーロッパで地動説は、ニコラウス・コペルニクス(1473年 - 1543年)によって唱えられ、ガリレオ・ガリレイ(1564年 - 1642年)が望遠鏡を用いた天体観測を重ね、木星衛星ガリレオ衛星)軌道から地動説を提唱したが、二度の宗教裁判の末に敗れた[70]。しかし地動説はヨハネス・ケプラー(1571年 - 1630年)が堅持し、アイザック・ニュートン(1642年 - 1727年)が万有引力の法則で理論的に説明したことで広く受け入れられるようになった[71]

太陽観察

太陽の観察は古代から行われ、皆既日食から彩層やコロナは観察されていたことが観察記録から判明している。ガリレオは黒点の観察を記録し[70]、1859年にはリチャード・キャリントンが太陽フレアのスケッチを描いた[34][72]。太陽光をプリズムで分析する観察はニュートンも行ったが、ヨゼフ・フォン・フラウンホーファー(1787年 - 1826年)が分光の中に黒い線を発見した[73]。1850年代に、グスタフ・キルヒホフ(1824年 – 1887年)とロベルト・ブンゼン(1811年 - 1899年)がこの黒線が特定の元素によって吸収された光の波長であることを突き止め、これによって太陽大気の元素成分が判明した[74]。分光による輝線と元素の関連が判明した後の1868年に、ピエール・ジャンサン(1824年 - 1907年)が日食時の太陽光スペクトルを観察していた際に未知の元素を示す輝線が発見され、後にこれは太陽のギリシア語にちなみ「ヘリウム」と名づけられた[74]ゼーマン効果による黒点磁場は1908年に発見された[75]

太陽観測時の注意点

日光には可視光線の青色光、紫外線赤外線が含まれるため、肉眼で直接太陽を観測すると日食網膜症を引き起こし、網膜やけど後遺症失明の危険がある[76][77]。観察には日食グラスや太陽観測専用の遮光フィルターなどの専用の器具を使用する(すすのついたガラスや黒い下敷き、カラーネガフィルムによる減光では不十分とされている)。太陽の位置を瞬間的に肉眼で確認してから、グラスやフィルターを目に当てる方法では、網膜のやけどによる影響が蓄積される(そのため、先にフィルターに目を当ててから、観測をはじめるように勧告されている)[78]

望遠鏡や双眼鏡を使用する場合には、太陽投射板に太陽像を投射する方法、対物レンズの前にフィルターを装着する方法の他[79]、(不適切な導入によって事故の危険があるが)接眼レンズに専用のサングラスを装着する方法や、サンプリズムで減光した後に接眼レンズに専用のサングラスを装着する方法もある[80]

上記のように適切な専用機器を使って正しい観測方法を行ったとしても、長時間の観測によって日食網膜症を引き起こすこともあり、1分観測するごとに2〜3分程度の休憩を取ることが最良かつ最適だとされており、市販されている日食グラスにもその旨の警告が記されている[79]

太陽光は赤外線もかなり強力で、分厚い雲に覆われて肉眼では太陽が見えない場合でも、デジタルカメラなどでは雲越しに写る事が多い。黒点の極大期にはピンホールカメラで黒点観測ができる事もある。ピンホールカメラと同じ理屈で、日食時の木漏れ日は欠けた太陽の形になる。

太陽望遠鏡

光量が非常に多く、しかも観測目標が光球表面の見かけ上微細かつ変化が激しい現象である太陽観察には、特別な望遠鏡が開発された。一般的には、焦点距離が長く拡大率を高められ、収差を小さくするためにF値が30以上のものに、分散性能が高い分光器が求められる。これらを満たす装置は大型になるため、太陽を追尾する部分・集光部分・分光部分が独立していることが必須となる[81]

これらを満たすものとして、追尾部分は「シーロスタット式」や「ヘリオスタット式」、反真空望遠鏡では「タロット式」が採用される。太陽観測は日中であるため夜間より大気の揺らぎが大きく、シーイング向上を目指した設置場所や方法も工夫が必要となる。高地や、海や森林などで囲まれた場所がよく選ばれるが、初期には太陽塔望遠鏡のような構造物の上に設置された。太陽観測用では、1998年にサクラメントピーク天文台で初めて設置された補償光学も、シーイングに成果をもたらしている[81]

日震学

太陽内部の定在波。太陽内部では音速が場所により変化することから音波は屈折し、光球面近くで反射するため内部に閉じ込められて定在波となる。

太陽内部では乱流的対流とともに音波的波動(太陽の固有振動)が存在し、この2つが表面の運動速度場を決定している。太陽光、特に吸収線のドップラー効果から、光球表面の各部分についてこれを知ることができる[21]。これは1960年にアメリカのロバート・レイトンらが粒状斑を観察する中で発見したもので、「5分振動」と呼ばれる。これは当初、太陽大気の局在が原因と思われたが、1970年代にpモードと呼ばれる太陽が持つ固有の振動が原因と判明した。太陽光球上で非常に目立つ[20]5分振動は、量子力学で扱われる球面調和関数で記述できる、量子数が異なる様々な音波の固有振動が重なり合った結果だった。この理論は可視光で観察不能な太陽内部を調査できるために注目され、また地球内部を地震波で調査する手段と基本的に同じであるため、「日震学」(helioseismology) と呼ばれる[82]

日震学は、対流層の深さを明らかにした。外部から対流を観察するだけでは不明瞭だった対流の深さが固有振動の分析で判明し、それまで考えられていたよりも対流層は厚かった。また、音波が伝わる速度が温度に依存する点から、太陽内部の温度分布が計算可能となった。これは、後述する「太陽ニュートリノ問題」が解決される前に提示された中心温度への疑問に対し、計算値は標準太陽モデルに近いことを示した。さらに太陽内部の自転速度分析にも回答を与え、表面のような差動回転は内部には大きく見られないことが解明された[82]

太陽探査機

太陽観測衛星ひので。可視光、紫外線、X線と複数の観測手段を搭載した。

地球周回軌道から太陽を観測する探査機と、太陽周回軌道を目指す探査機では求められる性能が大きく異なる。 特に太陽周回軌道を目指す探査機については、恒星である太陽の接近探査は他の惑星探査とは大きく異なる課題が多く、地球からの距離、強力な引力、超高熱、強力で多種な宇宙線などを考慮しなければならない。

X線による太陽観測は1970年代から活発に行われ、アメリカの「スカイラブ」や「ソーラーマックス」、ESANASA が共同で「SOHO」、日本の「ひのとり」や「ようこう」および「ひので」などが打ち上げられた。「スカイラブ」はコロナの詳細な像をもたらし、さらに「ようこう」は空間分解能の高いコロナ像を提供した[22]

光球の基本的な組成は分光観測によってよく知られているが、太陽内部の組成についてはあまりよく分かっていない。そこで太陽風に含まれる粒子のサンプルリターンミッションである「ジェネシス」は、研究者が太陽の物質を直接測定することを目的に計画された。このミッションでは2004年に機体が地球に帰還し、サンプルの解析が現在も進行中だが、試料カプセルが大気圏へ再突入する際にパラシュートが何らかの原因で正常に作動せず、カプセルが地表に激突したために、サンプルの一部が損傷を受けた。


注釈

  1. ^ 2012年5月の金環日食の際の観測に基づく。金環日食直後の速報では、太陽半径として 696010±20 km としていたが、日本天文学会2012年秋季年会での報告値は太陽半径として 696019±10 km
  2. ^ 太陽内部では中心部にある核で生み出されたエネルギーが表面まで伝わるのに、数十万年から数百万年掛かると考えられている。プラズマ状態にある核では核融合反応によってニュートリノとガンマ線が生じている。ニュートリノは周囲の層を構成する物質と相互作用することはほとんどなく、そのまま宇宙空間に出て行く。核内部では生じたガンマ線が原子核に吸収され再び放射されることでジグザグに進むが、それは核の表面から放射層の最下層に達しても同様に原子核によって吸収と放射を繰り返しながらジグザグに進んで容易には外部へ伝わらない。核でエネルギーが生じてから放射層内部を進むのには数十万年から数百万年ほど掛かる。放射層表面に達したガンマ線は対流層の最底部を2百万度程度まで加熱する。対流層の表面は1万度程度であり、温度差によって対流しており、底部から表面まで約10日程度でエネルギーが運ばれる。対流層の外部の光球からは放射光や太陽風となって宇宙空間に出てゆく。
  3. ^ 地球史において太古の海洋の存在を示す地質学的な証拠と相容れないことから「暗い太陽のパラドックス」と呼ばれる。田近(1998)『地球進化論』315-320pによる アーカイブ 2016年6月30日 - ウェイバックマシン広島大学地球資源論研究室のまとめ、岐阜大学教育学部理科教育講座(地学)Web教材 高等学校理科総合B > 暗い初期太陽のパラドックス アーカイブ 2015年9月28日 - ウェイバックマシン、及びカール・セーガンらの原著、Sagan, C.; Mullen, G. (1972). “Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures”. Science 177 (4043): 52–56. Bibcode1972Sci...177...52S. doi:10.1126/science.177.4043.52. PMID 17756316. オリジナルの2010年8月9日時点におけるアーカイブ。. http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/177/4043/52?ck=nck 2015年9月27日閲覧。. ワシントン大学のサイト上の全文PDF アーカイブ 2015年11月23日 - ウェイバックマシン)を参照のこと。

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