冬の夜、明るい星がちらちらして見えます。「星がついたり消えたりしている」と説明したくなりますが、目に届くまでの道のりにも原因があります。地上で見る星の細かなまたたきには、地球の大気の揺らぎが関わっています。
遠い星の出来事を考える前に、星と目の間に何があるかを描いてみましょう。星、地球の大気、観測する人。この三つを分けるだけで、「光を出す側の変化」と「届く途中の変化」を区別できます。観測の問題では、対象だけでなく観測条件も見ることが大切です。
空気を通る途中で、光の進み方が変わる
空気は、温度などの違いによって密度にむらが生じます。そのむらが動くと、光の進み方もわずかに変わります。星の光が大気を通り抜ける間に受ける影響が変化し、地上では明るさが細かく変わって見えるのです。
ここで「空気が星を隠している」とだけ考えると、雲が前を通る場面と混ざります。薄雲によって暗くなることはありますが、晴れた空で見えるまたたきもあります。何か不透明な物が繰り返しふたをしている、という説明が必要なわけではありません。
図では光の道を大きく曲げて描きますが、実際の星が空のあちらこちらへ大きく飛び回っているわけではありません。見やすくするために変化を強調した模式図と、目で見える大きさを区別しましょう。
低い星は、空気の中を長く通ってくる
同じような大気の状態で比べると、地平線近くの低い星の光は、頭上近くの星の光より大気中を長く進みます。そのため、またたきの影響を受けやすくなります。近くにある星だから強くまたたく、と距離へ直接結びつけないでください。
「低い」とは、地上から見上げる角度が小さいという意味です。宇宙での星の位置が地面に近いわけではありません。図の低いところに星が描かれているとき、紙の上の高さと、天体までの距離を混ぜないことが大切です。
もちろん、星が低ければ毎回同じ強さでまたたくとは限りません。その日の大気の状態にも左右されます。実際の観察では、時刻、見上げる角度、雲の有無、観察した場所を一緒に記録すると、見え方の違いを後から比較しやすくなります。
例題1｜またたきの強さで、星の距離が分かる？
ある夜、地平線近くの星Aは強くまたたき、頭上近くの星Bはあまりまたたいて見えませんでした。Aの方が地球に近いと判断できますか。また、この比較で見落としてはいけない観測条件を一つ挙げてください。
答え・解説： 距離は判断できません。見上げる角度が違い、大気を通る道の長さも違います。またたきの差を、星までの距離の差だけで説明することはできません。見落としてはいけない条件の例は、星の地平線からの高さです。
同じ夜ならすべて条件がそろっている、とは限らないのです。観察者と時刻をそろえても、空のどの方向を見るかが違っています。比較の問題では、そろえた条件を数えるだけでなく、まだ変わっている条件を探しましょう。
宇宙望遠鏡にすると、何の影響がなくなる？
地球の大気の外から観測すれば、光が地球の大気を通ることで生じる揺らぎの影響を避けられます。地上の大きな望遠鏡でも、大気が像を乱す影響を補正する技術が使われています。望遠鏡を大きくすることと、光の通り道の乱れを減らすことは、別の工夫です。
ただし、「宇宙で観測すれば、どんな星も明るさが一定」とは言えません。星そのものや、星を隠す天体などに由来する変化は別にあります。取り除いた原因が一つなら、すべての変化が消えるとは限らない、と考えます。
例題2｜平均が同じなら、揺れも同じ？
一定の光を出す点光源を用いた模型実験で、受光器の値を同じ間隔で5回読みました。空気の揺らぎを小さくした条件Pでは10、10、10、10、10。温度差による揺らぎを作った条件Qでは8、12、9、11、10でした。単位は装置内の相対値です。それぞれの平均と、最大値から最小値を引いた差を求めてください。
答え・解説： Pの平均は50÷5＝10、Qも50÷5＝10です。一方、最大値と最小値の差はPが10−10＝0、Qが12−8＝4です。平均が同じでも、時間ごとの変動の大きさは違います。
この数値は考え方を練習するための仮想データで、実際の星の観測結果ではありません。Qの受光量が変化しても、この設定では光源の出す光は一定です。「測定値が変わったから光源が点滅した」とは言えないことを、装置の条件と一緒に読み取ります。
「明るい」「赤い」「またたく」を一つにしない
星の明るさ、色、またたきは、それぞれ別の観察項目です。赤く見えるから強くまたたく、明るいから地球に近い、と一足飛びに結びつけず、何を比べているかを言葉にします。観察表でも、明るさと揺れ方を別の欄にしておくと混乱が減ります。
記述では、「星から来た光が、地球の大気の揺らぎの影響を受けるため」と、原因のある場所を残しましょう。星自身の説明だけで答案を埋めるより、途中の空気まで視野を広げる方が、目に見えた現象を正確に説明できます。
光の道をたどる練習は水中の物が浅く見えるのはなぜ？、星の別の観察項目は星の明るさと色を別々に読み解くとつなげて整理しましょう。