分解能が重要な理由 - 光の回折と分解能の関係

高校で地球科学を学ぶと、望遠鏡のすべての性能が口径に関係していることを知ることになる。

倍率は接眼レンズを交換すればいくらでも変えることができるので、それほど重要な要素ではない。

最も重要なのは集光力と分解能である。

集光力は望遠鏡が光を受ける面積が広ければ広いほどより多く光を受けるので、口径の2乗に比例することは知っているだろう。

しかし、なぜ分解能は口径が大きいほど良いのか？

1. 光の回折

回折とは、波が障害物に遭遇したとき、障害物の後ろまで伝播する現象である。

回折によって、障害物近くにある光の経路が変更される。光も波動であるため、このような回折現象が現れる。

そして光が狭い空間を通り抜けると、光が通過する経路の違いによって独特な模様を示すようになる。

このとき、回折で発生する模様の大きさは波長に比例し、光が通過する空間（スリット）の大きさに反比例する。

問題は、これらの現象が望遠鏡で星や惑星を観測する際にも起こることである。

星を観測する際には、望遠鏡の口径が一種の単一スリットとなる。

上の図で光が単一スリットを通過するときに回折されるように、望遠鏡の口径の端で光の回折が起こり、これが画像をぼやけて見せる。

下の図は絞りが付いている望遠鏡で口径（アパーチャー）を調整しながら、0.5mmだけ離れている点光源を撮影したものである。

望遠鏡の絞りが大きく開かれ、光が入る口径が大きければ大きいほど、光がよく分解されて見える。

図で(c)のような場合、2つの物体が一緒に見え始めるが、観測者の視点からこの距離よりもさらに近い物体は一つに見える。

このとき観測者が見た2つの物体の間の角度が分解能である。

したがって分解能が小さいほど物体を鮮明に見ることができ、分解能が小さいほど性能が良いとされる。

上の画像はM13という球状星団を望遠鏡の口径を変えながら撮影した写真である。

口径が大きいほど鮮明な画像を示す。口径が小さい場合、どんなに倍率が良くても画像がぼやけるだけで、物体を正確に見ることができない。

望遠鏡の分解能の公式と単一スリットでの公式が似ているのはこのためである。

望遠鏡の前部分での回折が物体の像を曇らせるのだ。

したがって望遠鏡の口径が大きければ大きいほど、観測したい波長が短ければ短いほど、分解能の値は小さくなり、観測者はより良い像を得ることができる。

このため、望遠鏡は無条件で口径が大きい方が良い。

地球科学で学ぶさまざまな公式を地球科学だけで理解することは不可能である。

物理学、化学を一緒に勉強しながら地球科学を学ぶと、公式を理解するのに大いに役立つだろう。