星はなぜまたたいて見えるの？

仕組みの科学

星のまたたきは大気の乱流による屈折率変動が原因である。空気は密度や温度のわずかな差で屈折率が変わり、上空数十キロメートルにわたる多層の乱流を通過する星の光は、進路と振幅と位相が常に微小に変化する。これが地上の観測者には明るさのゆらぎとして観測される。天文学ではこの現象をシンチレーション、観測条件の良し悪しをシーイングと呼ぶ。

星のシンチレーションは色のゆらぎとしても表れ、ベテルギウスやシリウスのような明るい星では赤や青に色変わりして見えることがある。これも大気が波長ごとに屈折率を変えるためである。大型望遠鏡では補償光学と呼ばれる技術で大気のゆらぎをリアルタイムに測定し、可変鏡で打ち消すことで星像をシャープに保つ。地上望遠鏡が宇宙望遠鏡並みの解像度を得られるようになった現代の技術革新だ。シンチレーションの大きさは標高や気象条件で大きく変わるため、観測サイト選定はこれら大気特性の長期測定から始められる。観測天文学はまさに地球と宇宙の境界面を扱う科学であり、光ひとつぶに込められた情報の取り出し方に多くの工夫が凝らされている。

歴史と発見

星のまたたきは古代から人々の関心を集めてきた。古代ギリシャの哲学者は星のきらめきを神秘的な性質として捉え、東アジアの文学でも瞬く星は儚さや幸運の象徴として詠まれてきた。科学的な説明が進んだのは17世紀以降、望遠鏡の発展で大気の影響が定量的に観測できるようになってからである。

20世紀には電子的な観測機器の発達で、シンチレーションの統計的な性質が明らかになった。1950年代には電波天文学にも大気シンチレーションが影響することが分かり、星と銀河の見え方を制御する重要な要素として研究されるようになった。日本でも国立天文台がハワイのマウナケアにあるすばる望遠鏡や、岡山天体物理観測所などで補償光学の研究を進めている。宇宙の理解は大気との対話なしには成り立たない。観測機器の高精度化と並行して、画像処理や統計手法の進歩が大気ゆらぎの影響を取り除く有力な手段になっており、データ科学と天文学が密接に協働する時代に入っている。

もう一歩先

現代の天文学では、星のまたたきは観測の障害というだけでなく、地球大気そのものを理解する手がかりにもなっている。シンチレーションのパターンから上空の風速や温度勾配を推定する研究があり、気象学と天文学の境界領域として面白い。低軌道衛星の光跡を観測することで大気の微細構造を測ることもできる。

ハッブル宇宙望遠鏡やジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの宇宙望遠鏡は、大気の外に出ることでシンチレーションの影響を完全に取り除き、宇宙の遠方銀河や系外惑星の研究を可能にした。地上望遠鏡では補償光学に加え、複数望遠鏡を結合する干渉観測法も発展している。星の小さなまたたきの背後には、地球と宇宙の境界をめぐる科学技術の大きな進歩が広がっている。子どもが夜空を見上げて感じるあのチカチカは、いまも世界中の研究者を動かし続けている、宇宙への入り口でもある。空のしくみと宇宙のひろがりを同時に学べる、たいへん贅沢な題材だといえる。