中学校と高専の連携による天文教育～中学校科学部員に天文学研究の面白さを体感させよう!!～

中 学 校 と 高 専 の 連 携 に よ る 天 文 教 育

～ 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

「 中 学 生 に 天 文 学 研 究 の 面 白 さ を 体 感 し て

も ら い た い!!」 そ の よ う な 思 い か ら 、 米 子 工

業 高 等 専 門 学 校（ 以 下「 米 子 高 専 」）教 員 と 米

子 市 立 湊 山 中 学 校 科 学 部 顧 問 が 連 携 し て 同 中 学 科 学 部 員 に 天 文 学 研 究 の 指 導 を 行 っ た 。

具 体 的 に は 、 適 切 な 研 究 テ ー マ を 与 え て

の6段 階 の ス テ ッ プ を た ど っ て も ら い 、毎 年

同 じ サ イ ク ル が 繰 り 返 せ る よ う 工 夫 し た 。 指 導 の 結 果 、 科 学 部 員 の モ チ ベ ー シ ョ ン や 理 解 度 は 非 常 に 高 く な り 、 ① か ら ④ ま で の ス テ ッ プ は 極 め て ス ム ー ズ に 進 ん だ 。

ま た 、 ⑤ の 研 究 発 表 で は 、 審 査 員 に 天 文 学 の 専 門 家 が い な い と 予 想 さ れ た た め 、 相 当 周 到 な 事 前 準 備 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 非 常 に 高 い 評 価 を い た だ く こ と が で き 、 最 優 秀 賞 受 賞 と な っ た 。

さ ら に 、 単 に 研 究 発 表 す る だ け で な く 、 デ ー タ 解 析 の 過 程 で 制 作 し た 写 真 を 天 文 ガ イ ド 誌 の 読 者 の 天 体 写 真 月 例 コ ン テ ス ト に 応 募 し

た と こ ろ 、 見 事 入 選 も 果 た せ た[1]。

最 後 に ⑥ の 反 省 会 を 行 っ た と こ ろ 、 今 回 の 研 究 の 経 験 や 受 賞 を 喜 ぶ 声 に 加 え 、 こ の 研 究 を 科 学 部 の 年 中 行 事 に 組 み 入 れ て さ ら に デ ー タ を 蓄 積 し て い き た い と い う 意 見 が 多 数 あ り 、 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 っ た 。 以 下 そ の 結 果 に つ い て 報 告 す る 。

2. 研 究 テ ー マ の 設 定

研 究 テ ー マ の 設 定 は 極 め て 重 要 で あ る 。 テ

ー マ は 科 学 部 員 が 興 味 を 抱 く と 同 時 に 彼 ら に 理 解 で き 、 さ ら に は 解 析 可 能 な も の で な け れ ば な ら な い 。 ま た 、 米 子 高 専 の 機 材 で 観 測 ・ 解 析 可 能 な も の で も な け れ ば な ら な い 。

一 方 、「 流 星 」は 身 近 な 天 文 現 象 で あ る に も

か か わ ら ず 、 実 際 に 流 星 を 見 た 経 験 が あ る 部 員 は 少 数 だ っ た 。 そ の た め か 、 多 数 の 部 員 は 流 星 に あ こ が れ を 持 っ て お り 、 ち ょ う ど 夏 休 み が 観 測 期 間 と な る こ と も あ っ て 、 夏 休 み 最 大 の 天 文 イ ベ ン ト で あ る ペ ル セ ウ ス 座 流 星 群

を 研 究 テ ー マ と し た 。運 良 く 、2016年 の ペ ル

セ ウ ス 座 流 星 群 は 、 極 大 日 前 日 が 上 弦 の 月 の た め 、 夜 半 以 降 の 観 測 条 件 は 最 良 と の こ と で

あ っ た[2]。

し か し 、 極 大 日 が 雨 天 ・ 曇 天 と な る 場 合 も 考 え 、 念 の た め す べ り 止 め の テ ー マ と し て 土 星 の 分 光 観 測 も 行 い 、 土 星 本 体 と 環 の 視 線 速 度 を 求 め 、 自 転 の 速 度 も 求 め ら れ る よ う に し て お い た 。

と こ ろ で 、 具 体 的 な 研 究 内 容 に つ い て は 、 小 学 生 で も 実 施 可 能 な 「 流 星 計 数 観 測 」 で は 科 学 部 員 の 好 奇 心 を 満 た す こ と は で き な い 。 中 学 生 に は 多 少 難 し い 研 究 内 容 に し た 方 が 問 題 意 識 も よ り 高 く な る と の 判 断 か ら 、 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 の 測 定 を 研 究 内 容 と す る こ と に し た 。

具 体 的 に は 、 湊 山 中 学 校 と 米 子 高 専 そ れ ぞ

れ に 超 広 角 レ ン ズ を 取 付 け た CMOS カ メ ラ

を 設 置 し 、 両 者 で 同 時 に 捉 え た 流 星 の 視 差 か ら 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 を 測 定 す る こ と

に し た 。図1に 米 子 高 専 と 湊 山 中 学 校 の 位 置

関 係 を 示 す 。両 者 間 の 直 線 距 離 は5.238kmで

あ り 、単 純 計 算 で は2°～3°の 視 差 が 出 る と

予 想 し た 。 ① 事 前 学 習 → ② 観 測 → ③ 解 析 → ④ 考 察 →

図1 湊 山 中 学 校 と 米 子 高 専 の 位 置 関 係[3]

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 は 全

員 ま だ 天 文 の 学 習 を し て い な か っ た 。そ こ で 、

ま ず 星 の 日 周 運 動 や 天 球 の 話 、 天 体 の 高 度 ・ 方 位 、 流 星 群 の し く み な ど を 学 習 し た 。

続 い て 、 身 近 な 景 色 を デ ジ カ メ で 撮 っ て 視 差 を 利 用 し た 立 体 視 の 写 真 を つ く る と い う 「 作 品 作 り 」 を 行 い 、 研 究 テ ー マ を 別 の ア プ ロ ー チ か ら 攻 め 、 楽 し み な が ら 流 星 の 高 度 測 定 の し く み を 理 解 で き る よ う に 工 夫 し た 。

な お 、こ の 立 体 視 写 真 は 、11月 の 湊 山 中 学

校 文 化 祭 で 科 学 部 の 作 品 と し て 展 示 し 、 研 究

活 動 を 保 護 者 や 生 徒 に ア ピ ー ル し た 。さ ら に 、

流 星 の 視 差 を 利 用 し た 立 体 視 写 真 を 天 文 ガ イ ド 誌 の 読 者 の 天 体 写 真 月 例 コ ン テ ス ト に 応 募

し た と こ ろ 、 見 事 入 選 も 果 た せ た[1]。

図2 科 学 部 員 が 制 作 し た 立 体 視 写 真

最 後 に 、 ペ ル セ ウ ス 座 流 星 群 、 視 差 観 測 、 立 体 視 の し く み に つ い て イ ン タ ー ネ ッ ト を 使 っ た 調 べ 学 習 を 行 い 、 部 員 各 個 人 で レ ポ ー ト

に ま と め 、 お 互 い の レ ポ ー ト を 読 み 合 っ て 学 習 し 合 い 、 理 解 を 深 め た 。

4. 観 測

湊 山 中 学 校 と 米 子 高 専 に そ れ ぞ れ1台 ず つ

ZWO 社 のCMOSカ メ ラ ASI120MMを 設 置

し た 。 こ れ に 焦 点 距 離 2.1mm の 超 広 角 レ ン

ズ を 取 付 け 、 天 頂 に 向 け て 固 定 し た 。 こ う す

る と 、天 頂 を 中 心 と し て ±75°程 度 の 範 囲 が

撮 像 で き る 。

な お 、 観 測 当 日 は 夜 半 ま で 月 明 か り が あ っ

た の で 、 撮 像 は 8月 13日 （ 土 ） の 午 前 0 時

00分 か ら 天 文 薄 明 が 始 ま る 前 の3時00分 ま

で 、露 光 時 間 10秒 で1080コ マ 連 続 撮 像 を 行

っ た 。 当 日 は 雲 一 つ な い 快 晴 で 、 夏 に は 珍 し い く ら い 透 明 度 が 良 く 、 最 高 の 観 測 条 件 で あ っ た 。 さ ら に 、 カ メ ラ レ ン ズ に 夜 露 が 付 着 す る こ と も な か っ た 。

図3 湊 山 中 学 校 で の 観 測 風 景

図4 米 子 高 専 で の 観 測 風 景 米 子 高 専

湊 山 中 学 校 5.238km

CMOSカ メ ラ

図 5 湊 山 中 学 校 で の 画 像 。 流 星 は さ ん か く 座 の 右 側 を 飛 ん で い る 。

5. 解 析

5.1 同 時 流 星 の 検 出

ま ず 、 科 学 部 員 全 員 で 、 湊 山 中 学 校 で 撮 像

し た 1080 コ マ の 画 像 デ ー タ を 、 全 て 目 視 で

チ ェ ッ ク し た 。 こ の と き 、 見 落 と し が あ っ て は い け な い の で 、 科 学 部 を 男 子 チ ー ム と 女 子 チ ー ム に 分 け て そ れ ぞ れ 独 立 に チ ェ ッ ク し 、 流 星 が 写 っ て い る 画 像 を 全 て 列 挙 し た 。 そ の 後 、 両 者 が 列 挙 し た デ ー タ を 突 き 合 わ せ 、 見 落 と し が 無 い か 確 認 し た 。

1080 コ マ も の 画 像 の チ ェ ッ ク は 非 常 に 大

変 な 作 業 に 思 え る が 、 科 学 部 員 た ち は 宝 探 し 感 覚 で 、 結 構 楽 し み な が ら 行 っ た 。

画 像 チ ェ ッ ク の 結 果 、 湊 山 中 学 校 で 撮 像 し

た 画 像 に は 合 計 13 個 の 流 星 が 写 っ て い る こ

と が 分 か っ た 。 こ れ ら の う ち 米 子 高 専 の デ ー

タ で も 写 っ て い た「 同 時 流 星 」は9個 で あ っ

た 。 な お 、9 個 の 同 時 流 星 の う ち 1個 は 散 在

流 星 で あ っ た た め 、 残 念 な が ら 解 析 か ら 除 外 し た 。

図 6 米 子 高 専 で の 画 像 。 流 星 は さ ん か く 座 を 貫 い て 飛 ん で い る 。

検 出 さ れ た9個 の 同 時 流 星 の う ち 一 番 明 る

か っ た も の を 図 5，6 に 示 す 。 図 5 は 湊 山 中

学 校 で の 、 図 6 は 米 子 高 専 で の 画 像 で あ る 。

図5の 流 星 は さ ん か く 座 の 右 側 を 飛 ん で い る

が 、図6の 流 星 は さ ん か く 座 を 貫 い て 飛 ん で

お り 、 明 ら か に 視 差 が 生 じ て い る こ と が わ か る 。 以 下 、 こ の 視 差 か ら 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 を 測 定 し た 。

5.2 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 の 測 定

ま ず 、IDLで 流 星 の 発 光 点 と 消 滅 点 の 高 度

と 方 位 を 測 定 す る プ ロ グ ラ ム を 作 成 し た 。 プ ロ グ ラ ム の 作 成 は 、 さ す が に 中 学 生 で は 困 難 な の で 、 著 者 の 一 人 （ 竹 内 ） が 担 当 し た 。 測 定 の 方 法 は 以 下 の と お り で あ る 。

① 恒 星 の 赤 経 と 赤 緯 は 既 知 な の で 、 こ れ ら と 撮 像 時 刻 か ら 恒 星 の 高 度 と 方 位 を 求 め る こ と が で き る 。

② 各 流 星 画 像 で 、あ ら か じ め 基 準 星 を 3星 決

め て お き 、 そ れ ら を ク リ ッ ク し て 画 像 内 で カ シ オ ペ ア 座

さ ん か く 座

カ シ オ ペ ア 座

の 座 標 を 読 み 込 ま せ る 。

③ 基 準 星3星 の 高 度 と 方 位 は ① で わ か っ て い

る の で 、 線 形 補 間 で 画 像 内 の 座 標 を 高 度 と 方 位 に 変 換 す る 計 算 式 を つ く る 。

④ そ の 後 に 流 星 の 発 光 点 と 消 滅 点 を ク リ ッ ク し 、 画 像 内 で の 座 標 を 読 み 込 ま せ 、 ③ の 変 換 式 で 流 星 の 発 光 点 と 消 滅 点 の 高 度 と 方 位 を 計 算 す る 。

続 い て 、 湊 山 中 学 校 と 米 子 高 専 で の 流 星 の 発 光 点 、 消 滅 点 の 高 度 、 方 位 か ら 発 光 高 度 、 消 滅 高 度 を 計 算 す る プ ロ グ ラ ム を 作 成 し た 。

図 5、 図 6 の よ う に 、 撮 像 さ れ た 全 て の 同

時 流 星 に は 目 視 で は っ き り わ か る 視 差 が あ り 、 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 の 測 定 は 比 較 的 容 易 で あ っ た 。 ま た 、 科 学 部 員 は パ ソ コ ン の 扱 い に 慣 れ て お り 、 一 度 使 い 方 を 説 明 し た だ け で 完 全 に 習 得 し 、 測 定 は ス ム ー ズ に 進 ん だ 。

と こ ろ で 、 流 星 の 発 光 点 と 消 滅 点 は 恒 星 の よ う な 明 確 な 点 で は な い 。 そ の た め 、 測 定 値 が 多 少 ば ら つ い た 。 そ こ で 、 同 じ 測 定 を 複 数 名 で 行 い 平 均 と 標 準 偏 差 を 求 め 、 標 準 偏 差 を 「 測 定 誤 差 」 と し た 。

図6 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 の 測 定 風 景

表1 流 星 の 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 の 測 定 結 果

6. 結 果 と 考 察

6.1 結 果

測 定 結 果 を 表1に 示 す 。 表 1に は 流 星 が8

個 し か 載 っ て い な い が 、 こ れ は 解 析 で 述 べ た

よ う に9個 の 同 時 流 星 の 中 に 散 在 流 星 が1個

含 ま れ て い た た め 、 そ れ を 除 外 し た か ら で あ る 。

表1よ り 、流 星 の 発 光 高 度 は 約120km、消

滅 高 度 は 約90kmと な り 、だ い た い 妥 当 な 値

が 求 ま っ た[5]。こ の こ と か ら 解 析 は 正 し く 行

わ れ て い た と 考 え ら れ る 。

と こ ろ で 、2時17分10秒 の 流 星 は 発 光 高

度 の 方 が 消 滅 高 度 よ り 低 く な っ て い る 。 こ れ は 、 こ の 流 星 が 湊 山 中 学 校 と 米 子 高 専 の 基 線 長 が 短 く な る 方 向 に 飛 ん だ た め 、 測 定 誤 差 が 大 き く な っ た こ と が 原 因 と 考 え ら れ る 。

6.2 考 察

表1の 結 果 か ら 、時 間 が 経 つ と 発 光 高 度 も

大 き く な る た め 、 大 気 の 深 い と こ ろ ま で 到 達

で き る よ う に な る か ら で あ る[6]。

そ こ で 、図7の よ う に 輻 射 点 高 度 と 流 星 の

発 光 高 度 、 消 滅 高 度 の 関 係 を グ ラ フ に し た 。 図 中 の エ ラ ー バ ー は 測 定 値 の ば ら つ き の 標 準 偏 差 で あ り 、 図 中 の 直 線 は 最 小 二 乗 法 で デ ー タ に 直 線 を あ て は め た も の で あ る 。

図7よ り 、明 ら か に 輻 射 点 高 度 の 増 加 に 伴

っ て 発 光 高 度 と 消 滅 高 度 が 低 下 し て い る 。 さ ら に 、 発 光 高 度 の 低 下 の 割 合 の 方 が 消 滅 高 度 の 低 下 の 割 合 よ り 急 に 見 え る 。 し か し 、 こ れ が 物 理 現 象 な の か 統 計 的 揺 ら ぎ に よ る も の な の か は こ れ だ け の デ ー タ で は 判 断 で き な い 。

図 7 流 星 の 発 光 高 度 、 消 滅 高 度 と 輻 射 点 高 度 の 関 係

7. 研 究 発 表

今 回 の 研 究 成 果 を 鳥 取 県 西 部 地 区 科 学 研 究 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 。 中 学 校 の 科 学 研 究 発 表 会 で は 、 ほ と ん ど が 生 物 ・ 化 学 分 野 の 発 表 で あ り 、 審 査 員 も 自 分 が 理 解 で き る 分 野 の 発 表 を 高 く 評 価 す る 傾 向 が あ る と 予 想 さ れ る 。

そ こ で 、 少 な く と も 「 正 当 」 な 評 価 を し て い た だ く た め に 相 当 周 到 な 事 前 準 備 を 行 っ た 。

発 表 時 間 は 15 分 と 非 常 に 短 か っ た が 、 散 在

流 星 と 群 流 星 の 違 い か ら な ぜ 流 星 が 輻 射 点 を

中 心 に 飛 ぶ の か 、 な ぜ 視 差 が 発 生 す る か な ど

図8の よ う な イ ラ ス ト や ア ニ メ を ふ ん だ ん に

使 用 し て 説 明 し た 。

図8 研 究 発 表 会 で 使 用 し た イ ラ ス ト

さ ら に 用 語 で も 注 意 し た 。 例 え ば 、 高 度 ・ 方 位 の 「 高 度 」 と 発 光 高 度 の 「 高 度 」 が 混 乱 を 招 く と 考 え 、 前 者 を 「 仰 角 」 と い う 用 語 に 置 き 換 え た 。 ま た 「 輻 射 点 」 で は 理 解 が 得 ら れ な い と 考 え 「 放 射 点 」 で 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 。 ま た 、 審 査 員 の 方 々 か ら も 「 天 文 ガ イ ド と い う 全 国 版 の 雑 誌 に も 掲 載 さ れ 、 米 子 市 の 中 学 生 の 科 学 に 対 す る 意 欲 や 科 学 部 の ア ピ ー ル に な り 、 素 晴 ら し い 功

績 だ 。」 と か 、「 順 を 追 っ て 分 か り や す く 説 明

し て い て 、 天 文 の 知 識 が な く て も こ の 発 表 を

聞 い て 勉 強 に な っ た 。」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 。

・ 天 文 ガ イ ド に 載 っ た 事 は 一 生 の 思 い 出 と な っ て 心 か ら 嬉 し か っ た 。

・ 難 し い 内 容 だ っ た が 、 学 校 の 授 業 で は 学 べ な い 高 度 な 内 容 を 研 究 で き て い い 経 験 に な っ た 。

・ 他 の 流 星 群 で も 測 定 し て 、 ペ ル セ ウ ス 座 流 星 群 と 比 較 し て み た い 。

・ 来 年 以 降 、 毎 年 の 科 学 部 の 行 事 の よ う に ペ ル セ ウ ス 座 流 星 群 を 観 測 し 、 デ ー タ を 蓄 積 し 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] 『 月 刊 天 文 ガ イ ド 2016 年 12 月 号 』， 誠

文 堂 新 光 社 ，p.151．

[2] 『 天 文 年 鑑2016年 版 』， 誠 文 堂 新 光 社 ．

[3] グ ー グ ル マ ッ プ ，

https://www.google.co.jp/maps/place/ [4] ZWO 社HP，

https://astronomy-imaging-camera.com/

[5] 中 村 卓 司 監 修 ，RMG 編 集 委 員 会 編 著

（2002）『 流 星 電 波 観 測 ガ イ ド ブ ッ ク 』，CQ

出 版 社 ，pp.14-15．

[6] 埼 玉 県 立 越 谷 北 高 校 天 文 気 象 部 （2003）

「Leonids2001 か ら 求 め た 流 星 の 出 現 高 度 」，日 本 天 文 学 会2003年 春 季 年 会 ジ ュ ニ ア セ ッ シ ョ ン 講 演 予 稿 集，pp.5-6．