デジタル 一 眼 レフカメラによる 光 害 調 査 * 桝 井 俊 彦 1.はじめに 近 年, 過 剰 な 屋 外 照 明 や 建 築 物 のライトアップな どによる 光 害 が 問 題 となっている.これらは 天 体 観 測 に 影 響 を 及 ぼすだけではなく, 生 態 系 にも 影 響 を 及 ぼしているといわれている. 光 害 を 調 査 する 簡 単 な 方 法 としては, 眼 視 によっ て 見 える 最 も 暗 い 恒 星 の 等 級 を 求 めることや, 天 体 写 真 を 撮 影 して 写 る 最 も 暗 い 恒 星 の 等 級 を 求 めるこ と 等 がある. 天 体 写 真 の 撮 影 にはフィルムが 長 年 使 用 されてきたが,デジタル 化 の 流 れは 天 体 写 真 にも 及 び,デジタルカメラによって 撮 影 された 写 真 をコ ンピュータで 加 工 するなどの 画 像 処 理 も 一 般 化 して きている.これらの 技 術 変 化 の 流 れを 受 けて, 学 校 でも 実 施 できるデジタル 一 眼 レフカメラを 使 った 簡 単 な 光 害 調 査 の 方 法 の 開 発 を 試 み, 実 際 に 調 査 を 行 った 結 果 をまとめてみた. 2.デジタルカメラによる 光 害 調 査 の 可 能 性 につ いて 光 害 によって 夜 空 が 明 るくなれば, 恒 星 はその 明 るさに 埋 もれてしまって 見 えなくなったり, 写 真 に 写 らなくなることを 利 用 して 光 害 の 程 度 を 調 べるこ とができる. 写 真 を 撮 影 して 写 る 最 も 暗 い 恒 星 の 等 級 を 写 真 限 界 等 級 というが,これを 夜 空 の 明 るさの 程 度 を 知 る 指 標 として 用 いることができる. ここでは,CCDなどの 電 子 撮 像 素 子 を 用 いたデ ジタルカメラで 撮 影 された 天 体 写 真 が,フィルムに 撮 影 された 天 体 写 真 と 同 様 に 限 界 等 級 を 求 めること に 使 用 できるかどうかについて 考 えてみたい. フィルムによる 写 真 撮 影 での 限 界 等 級 について は, 天 文 年 鑑 1) に 次 のようにまとめられている. 天 体 望 遠 鏡 を 使 って 長 い 露 出 で 写 真 を 撮 影 すると, 眼 視 での 限 界 等 級 を 上 回 る 暗 い 星 まで 記 録 することが できる. 写 真 による 限 界 等 級 は,1 平 方 秒 あたりの 空 の 明 るさ, 望 遠 鏡 の 焦 点 距 離, 星 像 の 直 径 に 左 右 され, 表 1の 下 に 示 した 実 験 式 でうまく 表 現 される. このうち, 星 像 の 直 径 は,エアリーディスクの 直 径, シーイング( 大 気 による 星 像 のよろめき), 光 学 系 の 収 差 を 考 慮 する 必 要 がある. 表 の 写 真 限 界 等 級 は, 充 分 暗 い 空 を 想 定 して, 空 の 明 るさを22 等 級, 星 像 の 直 径 を0.02mmとしたものである. デジタルカメラの 撮 像 素 子 の 最 小 単 位 であるピク セルはフィルムの 銀 粒 子 に 相 当 する. 銀 粒 子 1 個 の 大 きさは,フィルムの 感 度 や 種 類 により 大 小 はある が 約 0.02mmである.600 万 画 素 クラスのデジタル 一 眼 レフカメラでは, 電 子 撮 像 素 子 の1ピクセルの1 辺 は 0.007mm 前 後 であり, 赤, 青, 緑 各 色 のフィルターを 被 せたピクセルを 市 松 模 様 に 配 置 して 得 た 像 をソフ トウェアで 合 成 してカラー 化 していることから,2 2=4ピクセルが 銀 粒 子 に 相 当 することになる. したがって, 撮 像 素 子 の 最 小 単 位 は1 辺 約 0.014mm の 正 方 形 といえるので 銀 粒 子 の 大 きさと 大 差 がな い. 天 体 写 真 では, 恒 星 像 の 大 きさが 撮 像 素 子 の 最 小 単 位 の 大 きさ 以 下 になれば,それ 以 上 に 写 真 限 界 等 級 は 向 上 しないことになるが, 日 本 では 大 気 のゆ らぎが 最 良 の 時 でも2, 冬 期 は10, 平 均 的 には5 あるので,500mm 程 度 の 焦 点 距 離 が 短 い 天 体 望 遠 鏡 の 表 1 写 真 撮 影 での 限 界 等 級 焦 点 距 離 (mm) 50 100 200 300 500 800 1000 1200 1500 2000 2500 3000 限 界 等 級 ( 等 ) 11.6 13.1 14.7 15.5 16.6 17.7 18.1 18.5 19.0 19.7 20.1 20.5 mp= ms + 5log f - 2.5log d -23.1 mp; 写 真 限 界 等 級 ( 等 )ms; 空 の 明 るさ( 等 )f; 焦 点 距 離 (mm)d; 星 像 の 直 径 (mm) * 大 阪 府 教 育 センター 11
撮 影 でも 恒 星 像 の 直 径 が0.02mm 以 下 になることは 少 なく,デジタルカメラで 撮 影 された 天 体 写 真 を 従 来 のフィルムに 撮 影 された 天 体 写 真 と 同 等 に 扱 うこと に 問 題 はない.ちなみに 充 分 暗 い 空 を 想 定 して, 空 の 明 るさを22 等 級 ( 中 略 )とした とあるのは, 十 分 に 暗 い 空 であっても 地 球 大 気 そのものの 発 光 な どにより,その 暗 さは22.0 等 であるということが 観 測 によって 求 められているからである. 続 いて, 表 1 中 の 式 について 考 えてみる. 第 1 項 より, 写 真 限 界 等 級 は 夜 空 が 明 るいほど 低 下 するということがわかる.すなわち, 写 真 限 界 等 級 を 測 定 することによって 間 接 的 に 光 害 の 程 度 を 知 ることができるということになる. 第 2 項 より, 写 真 限 界 等 級 は 天 体 望 遠 鏡 の 口 径 に は 関 係 しないで 焦 点 距 離 のみが 関 係 する.たとえば, 焦 点 距 離 が2 倍 になるとfに2を 代 入 して5log2= 1.5となるから 写 真 限 界 等 級 は1.5 等 向 上 する. 第 3 項 より, 撮 影 された 恒 星 像 が 鋭 いほど 写 真 限 界 等 級 は 向 上 する. 恒 星 像 の 直 径 が 半 分 になると,d へ0.5を 代 入 して2.5log0.5=0.75となるから, 写 真 限 界 等 級 は0.75 等 級 向 上 するということである.ピ ントは 正 確 に 合 わせ, 恒 星 を 点 像 として 得 るために カメラを 赤 道 儀 に 載 せて 日 周 運 動 に 合 わせて 正 確 に 追 尾 しなければならない. この 式 にはフィルムの 感 度 に 関 する 項 がないが, これは 十 分 に 露 光 を 与 えればフィルム 感 度 と 写 真 限 界 等 級 には 関 係 がないということである.ただし, 恒 星 像 が 測 定 できないほど 画 面 全 体 が 白 く 飛 んでし まうような 露 光 オーバーは 論 外 である. 電 子 撮 像 素 子 についてもフィルムと 同 様 に 考 えられる. 以 上 を 総 合 して 考 えると,デジタル 一 眼 レフカメ ラで 撮 影 された 天 体 写 真 から 写 真 限 界 等 級 を 求 めて 光 害 の 程 度 を 知 ることは 可 能 である. 3. 写 真 限 界 等 級 の 求 め 方 について (1) 星 図 により 恒 星 を 同 定 して 等 級 を 調 べる 方 法 星 図 と 見 比 べて 恒 星 を 同 定 し,その 等 級 を 知 るの は 児 童 生 徒 にもできる 簡 単 な 方 法 である.しかし, 詳 しい 星 図 は 入 手 が 難 しく 高 価 である.そのため, フリーソフトウェアの Hnsky( 正 式 名 Hallo nort hern sky) 2) ( 図 1)を 使 用 した.このソフトウ ェアは 日 本 語 化 ファイルも 公 開 されている 3).これ を 使 用 するとGSC-ACT 星 表 を 使 って 最 大 20 等 まで 表 示 することができるとのことであったが,す べての20 等 までの 恒 星 が 表 示 されるのではなかっ た.また,デジタル 一 眼 レフカメラを 用 いて 撮 影 し た 写 真 には,フィルムに 写 る 写 真 限 界 等 級 よりも 暗 い 恒 星 まで 写 っていたために, 光 害 のない 場 所 で 撮 影 した 写 真 ではこの 星 図 を 用 いても 写 真 限 界 等 級 を 求 めることができないこともあった. 恒 星 の 同 定 の 際 には, 暗 い 恒 星 が 見 づらい 場 合 には 写 真 の 画 像 処 理 ソフトウェアで 明 暗 を 反 転 させて 見 やすくなるよ うにしてから,Hnskyで 同 じ 範 囲 をモニター 画 面 に 表 示 させて 写 真 に 写 っている 最 も 暗 い 恒 星 の 等 級 を 調 べた. (2) 天 体 画 像 処 理 ソフトウェアを 用 いて 等 級 を 調 べ る 方 法 当 初 は, 国 立 天 文 台 が 提 供 している すばる 画 像 解 析 ソフト:マカリ の 使 用 を 予 定 していたが, 天 文 分 野 で 使 われる 画 像 ファイル 形 式 であるFITS (The Flexible Image Transport System) 画 像 の 光 度 測 定 しかできず, 一 般 的 な 画 像 ファイルを 扱 うことができないため, 市 販 ソフトウェアである ステライメージVer.5 (アストロアーツ 社 )を 使 用 した. 4. 光 害 調 査 に 使 用 した 機 器 等 について 天 体 写 真 の 撮 影 は, 望 遠 レンズを 付 けたデジタル 一 眼 レフカメラを 赤 道 儀 に 載 せて 追 尾 しながら 行 っ た. 天 体 写 真 の 撮 影 に 当 たっては, 目 印 になりやす い 有 名 な 天 体 を 中 心 に 構 図 を 決 めた.また, 露 光 時 間 は 撮 影 ごとにヒストグラムを 確 認 し,ピークがヒ ストグラムの 中 央 に 位 置 するように 決 めた.( 図 2) 使 用 した 機 器 やカメラの 設 定 値 などは 以 下 のとお りである. 使 用 カメラ キヤノンEOS Kiss Digital 使 用 レンズ 焦 点 距 離 200mm 望 遠 レンズ 絞 り 設 定 F2.8 開 放 (ニュージーランドでの 写 真 のみF3.2) カメラISO 感 度 設 定 800 保 存 画 質 設 定 RAW 現 像 ソフトウェア EOS Viewer Utility 5. 光 害 調 査 地 点 と 調 査 結 果 光 害 を 調 査 した 各 地 点 の 夜 空 の 状 況 を 以 下 に 述 べ る. 調 査 では 光 害 調 査 に 適 した 月 の 出 ていない 夜 に 天 候 に 恵 まれることが 少 なかったために,1 地 点 に ついて1 回 の 観 測 しかできず,また, 各 地 点 におい て 同 時 刻 に 光 害 調 査 を 行 った 結 果 ではない.なお, 写 真 限 界 等 級 は, 比 較 する 図 において -- で 印 した 恒 星 で 求 めた. (1) 大 阪 府 大 阪 市 ( 大 阪 府 教 育 センター) 12
快 晴 であっても 煙 霧 のような 空 であり, 午 後 11 時 まではサーチライトが 空 を 照 らして 回 っているよう な, 典 型 的 な 都 市 部 である. 天 頂 付 近 での 眼 視 によ る 限 界 等 級 は3 等 程 度 である. 図 3は, 大 阪 府 教 育 センター 最 上 階 の 天 体 観 測 室 において2006 年 12 月 20 日 午 後 9 時 頃 にM45(すばる)を10 秒 間 露 光 した 写 真 である. 拡 大 して 明 暗 を 反 転 した 図 4と 図 5の 星 図 と 比 較 すると13.1 等 であった. (2) 大 阪 府 池 田 市 伊 丹 空 港 が 近 くにあり, 中 国 自 動 車 道 も 通 ってい るので 自 動 車 による 煤 塵 が 多 い. 環 境 省 の 光 害 調 査 において, 全 国 で 最 も 星 が 見 えない 地 域 とされたこ ともある 光 害 の 激 しい 地 域 である. 天 頂 付 近 での 眼 視 による 限 界 等 級 は3 等 程 度 である. 筆 者 の 自 宅 前 において2005 年 4 月 9 日 午 前 1 時 ごろにうしかい 座 のアルクトゥールス 付 近 を15 秒 間 露 光 した 写 真 を 拡 大 して 明 暗 を 反 転 した 図 6と 図 7の 星 図 と 比 較 する と,12.2 等 であった. (3) 大 阪 府 豊 能 郡 能 勢 町 大 阪 府 最 北 部 にあり, 大 阪 市 中 心 部 から 北 へ 距 離 30Kmの 場 所 である. 山 間 部 であるが, 南 東 から 南 西 にかけて 高 度 45 位 まで 都 市 による 光 が 広 がってい る. 天 頂 付 近 での 眼 視 による 限 界 等 級 は5 等 程 度 で ある. 図 8は,2004 年 1 月 24 日 午 前 0 時 頃 にM45(す ばる)を59 秒 間 露 光 により 撮 影 した 写 真 を 拡 大 して 明 暗 を 反 転 した 図 8との 図 9の 星 図 を 比 較 すると 13.7 等 であった. (4) 奈 良 県 吉 野 郡 野 迫 川 村 大 阪 市 中 心 部 から 南 東 へ 距 離 50Kmにあり, 紀 伊 山 地 の 標 高 約 1000mの 山 の 稜 線 上 である. 北 側 は 高 度 60 位 まで 都 市 による 光 が 広 がっているが, 南 側 は 遠 くの 山 の 稜 線 まで 星 が 見 え, 眼 視 による 限 界 等 級 は 6 等 である. 図 10は,2004 年 4 月 17 日 午 前 2 時 頃 に 300 秒 間 露 光 により 撮 影 した 撮 影 したさそり 座 のア ンタレスと 付 近 にある 散 光 星 雲 である. 部 分 拡 大 し た 図 11と 図 12の 星 図 を 比 較 すると15.4 等 であった. (5) ニュージーランド カンタベリー 州 テカポ この 場 所 は 光 害 がなく, 黄 道 光 や 対 日 照 も 見 える 最 良 の 空 である. 天 体 写 真 に 悪 影 響 を 及 ぼすのは 南 の 方 に 出 現 するオーロラだけである. 当 然 のことな がら 眼 視 による 限 界 等 級 は6 等 である. 図 13は, 2006 年 4 月 1 日 1 時 頃 に300 秒 間 露 光 により 撮 影 し たケンタウルス 座 の 電 波 銀 河 とオメガ 星 団 付 近 であ る. 一 部 分 を 拡 大 した 図 14と 図 15の 星 図 を 比 較 して みたところ,より 暗 い 恒 星 が 多 くあるにもかかわら ず, 星 図 上 にあった 最 も 暗 い 恒 星 は15.0 等 であり 写 真 限 界 等 級 を 測 定 することができなかった.そこで, ステライメージを 用 いて 光 度 測 定 をしている 様 子 が 図 16である. 光 度 測 定 の 方 法 については 説 明 を 省 略 するが,17.818 等 の 測 定 値 が 表 示 された. 恒 星 が 多 いために, 恒 星 を 指 定 する 円 が 他 の 恒 星 に 重 ならな いような 測 定 に 使 える 暗 い 恒 星 を 探 すのが 難 しかっ た.この 値 を 正 確 なものとして 扱 うには 問 題 がある が, 現 地 で 夜 空 を 見 た 実 感 からは, 大 まかな 写 真 限 界 等 級 は 求 められていると 思 われる. 4. 光 害 調 査 の 結 果 測 定 結 果 を 表 2にまとめたが,この 表 からは 写 真 限 界 等 級 は 光 害 の 程 度 を 示 していることが 分 かる. また, 露 光 時 間 も 光 害 の 程 度 を 示 していることが 分 かる. 露 光 時 間 が 長 いということは,それだけの 露 光 時 間 では 背 景 が 明 るくなりすぎないということで あり,すなわち 空 が 暗 いということになる. 同 じ 観 測 場 所 でも 気 象 条 件 等 により 光 害 の 程 度 は 刻 々と 変 化 し, 同 時 刻 に 調 査 を 行 っても 地 域 的 な 気 象 条 件 が 違 うために 異 なる 地 域 の 光 害 の 比 較 は 難 し いが, 傾 向 については 調 べることができるというこ とが 分 かった. 表 2 光 害 調 査 の 結 果 観 測 地 写 真 限 界 等 級 ( 等 ) 露 光 時 間 ( 秒 ) 大 阪 府 大 阪 市 13.1 10 大 阪 府 池 田 市 12.2 15 大 阪 府 豊 能 郡 能 勢 町 13.7 59 奈 良 県 吉 野 郡 野 迫 川 村 15.4 300 ニュージーランド 15.0 300 カンタベリー 州 テカポ ( 参 考 値 17.8) 引 用 参 考 文 献 1) 天 文 年 鑑 編 集 委 員 会 編 : 天 文 年 鑑 2007 年 版, 誠 文 堂 新 光 社 (2006)p.327 2)http://www.hnsky.org/software.htm(2006.12. 26) 3)http://hosi.gozaru.jp/Hnsky(2006.12.26) 4) 冨 田 弘 一 郎 編 : 天 体 画 像, 恒 星 社 厚 生 閣 (1985) 13
図 1 Hnsky(Hallo northern sky)による 星 図 の 例 図 2 撮 影 した 写 真 のヒストグラム 図 3 大 阪 府 大 阪 市 ( 大 阪 府 教 育 センター)で 撮 影 されたM45 図 4 図 3の 一 部 を 拡 大 して 明 暗 反 転 した 写 真 図 5 図 4と 同 範 囲 の 星 図 14
図 6 大 阪 府 池 田 市 で 撮 影 されたアルクトゥ ールス 付 近 を 拡 大 して 明 暗 反 転 した 写 真 図 7 図 6と 同 範 囲 の 星 図 図 6 大 阪 府 豊 能 郡 能 勢 町 で 撮 影 されたM45 を 拡 大 して 明 暗 反 転 した 写 真 図 9 図 6と 同 範 囲 の 星 図 15
図 10 奈 良 県 吉 野 郡 野 迫 川 村 で 撮 影 されたアンタレス 付 近 にある 散 光 星 雲 図 11 図 10のアンタレス 付 近 を 拡 大 した 写 真 図 12 図 11と 同 範 囲 の 星 図 16
図 13 ニュージーランド カンタベリー 州 テカポで 撮 影 された ケンタウルス 座 の 電 波 銀 河 とオメガ 星 団 付 近 図 14 図 13の 一 部 分 を 拡 大 した 写 真 図 15 図 14と 同 範 囲 の 星 図 17
図 16 図 13の 写 真 をステライメージを 用 いて 光 度 測 定 中 の 画 面 18