7月11日の連続波長シフトの記事のコメントでMakiさんから、Hαから波長をずらしてみると「Hαグレイン」というものが見えるかもしれないという情報がありました。今回はそれを発端にいろいろ試した話です。
Makiさんによると、太陽の下部の彩層にはたくさん『毛穴』みたいな穴があり、時により黒い『ゴマヒゲ』みたいなものが写るはずで、Hαから0.6Åほど短波長側で見え、3分から5分周期くらいで現れるとのことです。
このページの動画の±0.5～0.6Åの画像にもそれらしき『穴』がたくさん写っているとのことです。
興味が出たので、自分でも調べて見ました。天文学辞典によると
今のFC-76とG3M678Mで空間分解能を計算すると、視直径31.47分(7月)の太陽が2780ピクセルで撮影されているので、シーイングなどを考えないものすごい単純計算で0.68秒/pixelくらいの分解能なので、うまくいくと数ピクセルの大きさの黒い点として見えることになりそうです。
残念ながら学位論文自身は電子化されていないようで、見つけることはできませんでしたが、学位論文の結果と思われるペーパーについては見つけることができました。ここにありますが、フリーアクセスのようなので興味のある方は読んでみるといいかと思います。
今回まずはHαのみで見てみますが、Ca II H線(3968.47Åで、3933.66ÅのCa II K (CaK) 線の近く)などとの相関も見られるということなので、いつか多波長の同時観測も視野に入れて複数台の機材を揃えれたらと思います。
最初に試したことが、7月11日の記事で示した画像で、0.091Å x 7ピクセル分 = +/-0.637Åずれたの2枚の画像の差分を取ってみることでした。模様はHα中心から対称に出ていて、その中でグレインが-0.6Åのみに出るのなら、それらしい点が写ってもおかしくないと思ったからです。差分画像をさらに輝度の高いところだけを強調してみると、確かにそれらしい点が写っています。
わかりやすいように反転してみます。
わかりにくい場合はクリックして拡大してみると、細かい黒い点がたくさん残っているのがわかります。Hα中心から波長が長い側と短い側に、等間隔ずれたところを比較しているので、ドップラーシフトの差は出るかもしれませんが、基本的に正負の波長ずれに対して対称な模様となっているはずです。もしそこに差があると黒く出てくるということなので、このゴマのように見えるたくさんの黒い点は、少なくとも正負0.6Åずれたところで違いがあるということになります。
差分を見る前の、元の-0.6Å画像を下に示します。同じ黒い点の位置を見比べてみると、確かに黒い点があるのがわかります。
でもこれが本当にグレインなのか、そもそもグレインがどれくらいの分布で広がっているのかよくわからないのと、長波長側の+0.6Åに写っているように見える黒い点もあることから、いまいち確証が持てません。
次に考えたのが、グレインの特徴の3-5分周期で出たり消えたりしているのかどうか、調べてみようと思いました。
そこで試したのが、前回の記事のタイムラプス映像です。
先に記事にはしましたが、このタイムラプス映像は元々はジェットを撮る目的などではなく、グレインの時間変化を見たくて連続撮影を試したというわけです。ジェットがたまたま撮れていたので、特徴的なドップラーシフトでの見え方の違いを動画で見せたのはあくまでおまけでした。
動画化する途中でも、グレインがどう見えるかは気にしていたのですが、まず位置合わせがしっかりしていないとどの点が数分間続いているのかさえよくわかりません。なので位置合わせはかなりの時間を割いて十分合わせられるようにパラメータ調整などの手法を工夫しました。
でも、位置が合ったとしても見分けるのはかなり困難です。3分から5分くらいの周期ということは、今回の動画で5-10コマで出てきて消えるわけです。しかも短波長側だけに出ているということで、長波長側に出ていないことも確認する必要があります。実際はっきり写るのは高々数コマになるので、先の動画の左右2つを見比べるだけでも大変で、繰り返し見ていてもいまいち確証が持てませんでした。行き詰まったところで、一旦グレインについてはストップして、先にジェットの方をまとめることにして、ブログ記事を公開しました。
ところが前回の記事公開後、Xの方でMASAさんから「このジェットのドップラーシフトを色付けして見てみると面白いのでは?」というコメントがありました。これまでドップラーシフトはJSol'Exを使って出していて、serファイルを処理した時のみドップラーシフトを出力できるだけなので、今回のように処理済みの波長のシフト画像から色付きのドップラーシフト画像を作るのはちょっと面倒だと思っていました。
でもMASAさんからさらに「アップした動画に擬似的に色をつけて見たら面白かった」とのコメントが入り、私も興味に勝てずに、結局処理済み画像から色付きのドップラーシフト画像を作るコードを書くことになってしまいました。
アルゴリズムはJSol'ExのImageMathのサンプルコードを見ることができたので、あとはpythonに落とし込むだけでした。+側をred、-側をblueとし、+側画像と-側画像の最小値をgreenとするのが一般的なようです。そうしてできた動画が以下になります。
噴き上がる時が赤で地球から遠ざかっていき、落ちる時が青で地球側に向かってくるということで、確かにジェットの速度が変わっていく様子が色付きでわかるので、かなりわかりやすくて面白いです。
と、この動画を見ていて思ったのが、あれ？これってグレインの可視化の方法としてはベストに近いのでは？ということでした。一つの画面だけを見ていて、青い点が出て消えるものを探せばいいのです。実際上の動画でもそれらしいものがすでに見えています。
いくつかの場所を見てみましたが、青い点を目立たるようにして見たいということで、太陽の右側(西側)を見ることにしました。理由は、ドップラーシフトで背景が赤にシフトするので、波長が短い側にある青い点は見やすくなるからです。グレインは数ピクセルくらいのサイズになりそうなので、ある程度拡大しないと見えないのかと思います。上と同じように、右側下部を600x600ピクセルくらいの大きさで切り取ってみました。
これでもまだ変動が激しく、青が目立つと言っても小さな点なので、かなりわかりにくいです。
もう少しわかりやすくするために、青がある閾値以上で、ある大きさの範囲にあり、点状に近い形のものを自動で検出して、それが同じような位置に連続で出ているものをピックアップするようにしてみました。1画面だけ出ているものが灰色、2画面連続で出ているものが淡い青色、3画面以上出ているものを濃い青丸で囲んでみました。これらの処理はpythonで書きましたが、特に閾値などのパラメータ設定がかなり難しくて、ここまでピックアップするのに100回近くパラメータを調整しています。高画像版はYoutubeにアップしています。
やっとグレインらしきものが出て消えていく様子がはっきりと分かるようになったのかと思います。
3分周期とのことですが、
今回はHαグレインらしきものが見えたというところで終わりとしたいと思います。アマチュアレベルの分光器でこんなものが見える可能性が出てきたということだけも、かなり面白い結果だと思います。
この後発展させていくとしたら、やはり2006年の論文にあるようなCaHとの相関を見ることでしょうか。これだと複数台のSHG700が欲しくなります。もしくは、Hαのグレインの3分周期をグラフ化して、同様にCaHもグラフ化するとかでしょうか。これだと1台でもなんとかなるかもしれません。
HαとCaHのみでなく、他の波長でももしかしたら同様のグレイン現象があるのかもしれません。他の波長ではまだ誰もやっていないようなので、もしかしたら科学的な成果につながっていくかもしれません。こんなことまで視野に入ってくるSHG700はこれからもいろんな可能性を秘めているのかと思います。
お盆期間は忙しくて、天文関連の記事はHαグレインについてだけです。雨だったり、満月だったり、暑かったり、結局あまり休みにはならずに仕事が入ったりで、ほとんど撮影とかはできませんでした。
イベントとしては、8月7日に富山駅近くの環水公園で観望会がありました。雲が多く、夏の大三角とかと最後の方で月を見たくらいですが、多くの人が訪れてくれました。県天メンバーだけでなく、富山大、県立大の天文部も参加してくれていました。
他にも、8月12日には母校の高校の天文部の合宿に参加させてもらいました。こちらも天気が悪くて、見えた星はおそらくデネブだと思いますが、1個だけでした。ちょうどペルセウス座流星群が極大期で、部のメンバーが電波観測で流星群を捉えようとしていました。これまで学校でテストはしてたとのことですが、実際の観測は初めてみたいで、いくつか検出できていたようです。私はあまり詳しくなかったので、原理を少し調べてみましたが、結構面白そうです。機材も含めてそこまで大変ではなさそうです。天気に関わらず、雨の日でも検出できるというのはちょっと面白いかもしれません。ちょっと手を出してみてもいいかとも思いますが、観測というのが続くと思えないので、今回みたいな流星群の時にイベント的にやってみるのは、天気が悪い時の補足手段としてもいいのかもしれません。
分光は一度にたくさんのデータがとれて、いろいろ解析することがあります。お盆期間も結局はこの記事のための処理でほとんど費やしてしまいました。さらに、他にも撮影した大量のデータで未処理のものがあり、時間を結構かけていますが結果に結びついていません。しかも、今後機材の方にもう少し進歩がありそうな感じです。とにかく分光はこれまで手を出してこなかった分野で、とてつもなく奥が深いので、今後ももう少し踏み込んでいきたいと思います。
Hαグレインとは?
Makiさんによると、太陽の下部の彩層にはたくさん『毛穴』みたいな穴があり、時により黒い『ゴマヒゲ』みたいなものが写るはずで、Hαから0.6Åほど短波長側で見え、3分から5分周期くらいで現れるとのことです。
このページの動画の±0.5～0.6Åの画像にもそれらしき『穴』がたくさん写っているとのことです。
興味が出たので、自分でも調べて見ました。天文学辞典によると
太陽の彩層に見られるネットワーク構造の内側にH𝛂線で観測される暗点。この暗点は、H𝛂線の中心波長から0.6Å程度だけ短波長側で観測されることから、音速が10 km s-1程度の彩層内を超音速で上昇する構造である。この暗点は、約3分の周期で強度が変化して現れたり消えたりする。この変化は、カルシウムのHK線で見える輝点の変動と同期している。光球下から発生した音波が彩層に伝播する際に衝撃波化し、この衝撃波によって彩層が加熱された結果としてHK線で輝点が観測されたと解釈されている。H𝛂グレインとカルシウム輝点の関係はまだよくわかっていない。とのことです。他にもここに研究トピックスの形で、ここに学位論文のまとめの形で少し説明があります。「グレインという現象はまだ統一された定義があるわけではありませんが 、ここでは彩層の Hα 線のフィルターを通して観測した画像の中で、直径1∼2arcsec(1000km)ほどの黒い粒状の構造を指します。」とのことです。
今のFC-76とG3M678Mで空間分解能を計算すると、視直径31.47分(7月)の太陽が2780ピクセルで撮影されているので、シーイングなどを考えないものすごい単純計算で0.68秒/pixelくらいの分解能なので、うまくいくと数ピクセルの大きさの黒い点として見えることになりそうです。
残念ながら学位論文自身は電子化されていないようで、見つけることはできませんでしたが、学位論文の結果と思われるペーパーについては見つけることができました。ここにありますが、フリーアクセスのようなので興味のある方は読んでみるといいかと思います。
今回まずはHαのみで見てみますが、Ca II H線(3968.47Åで、3933.66ÅのCa II K (CaK) 線の近く)などとの相関も見られるということなので、いつか多波長の同時観測も視野に入れて複数台の機材を揃えれたらと思います。
本当に写っているのか？
最初に試したことが、7月11日の記事で示した画像で、0.091Å x 7ピクセル分 = +/-0.637Åずれたの2枚の画像の差分を取ってみることでした。模様はHα中心から対称に出ていて、その中でグレインが-0.6Åのみに出るのなら、それらしい点が写ってもおかしくないと思ったからです。差分画像をさらに輝度の高いところだけを強調してみると、確かにそれらしい点が写っています。
わかりやすいように反転してみます。
わかりにくい場合はクリックして拡大してみると、細かい黒い点がたくさん残っているのがわかります。Hα中心から波長が長い側と短い側に、等間隔ずれたところを比較しているので、ドップラーシフトの差は出るかもしれませんが、基本的に正負の波長ずれに対して対称な模様となっているはずです。もしそこに差があると黒く出てくるということなので、このゴマのように見えるたくさんの黒い点は、少なくとも正負0.6Åずれたところで違いがあるということになります。
差分を見る前の、元の-0.6Å画像を下に示します。同じ黒い点の位置を見比べてみると、確かに黒い点があるのがわかります。
でもこれが本当にグレインなのか、そもそもグレインがどれくらいの分布で広がっているのかよくわからないのと、長波長側の+0.6Åに写っているように見える黒い点もあることから、いまいち確証が持てません。
グレインの時間変動
次に考えたのが、グレインの特徴の3-5分周期で出たり消えたりしているのかどうか、調べてみようと思いました。
そこで試したのが、前回の記事のタイムラプス映像です。
先に記事にはしましたが、このタイムラプス映像は元々はジェットを撮る目的などではなく、グレインの時間変化を見たくて連続撮影を試したというわけです。ジェットがたまたま撮れていたので、特徴的なドップラーシフトでの見え方の違いを動画で見せたのはあくまでおまけでした。
動画化する途中でも、グレインがどう見えるかは気にしていたのですが、まず位置合わせがしっかりしていないとどの点が数分間続いているのかさえよくわかりません。なので位置合わせはかなりの時間を割いて十分合わせられるようにパラメータ調整などの手法を工夫しました。
でも、位置が合ったとしても見分けるのはかなり困難です。3分から5分くらいの周期ということは、今回の動画で5-10コマで出てきて消えるわけです。しかも短波長側だけに出ているということで、長波長側に出ていないことも確認する必要があります。実際はっきり写るのは高々数コマになるので、先の動画の左右2つを見比べるだけでも大変で、繰り返し見ていてもいまいち確証が持てませんでした。行き詰まったところで、一旦グレインについてはストップして、先にジェットの方をまとめることにして、ブログ記事を公開しました。
ところが前回の記事公開後、Xの方でMASAさんから「このジェットのドップラーシフトを色付けして見てみると面白いのでは?」というコメントがありました。これまでドップラーシフトはJSol'Exを使って出していて、serファイルを処理した時のみドップラーシフトを出力できるだけなので、今回のように処理済みの波長のシフト画像から色付きのドップラーシフト画像を作るのはちょっと面倒だと思っていました。
でもMASAさんからさらに「アップした動画に擬似的に色をつけて見たら面白かった」とのコメントが入り、私も興味に勝てずに、結局処理済み画像から色付きのドップラーシフト画像を作るコードを書くことになってしまいました。
アルゴリズムはJSol'ExのImageMathのサンプルコードを見ることができたので、あとはpythonに落とし込むだけでした。+側をred、-側をblueとし、+側画像と-側画像の最小値をgreenとするのが一般的なようです。そうしてできた動画が以下になります。
噴き上がる時が赤で地球から遠ざかっていき、落ちる時が青で地球側に向かってくるということで、確かにジェットの速度が変わっていく様子が色付きでわかるので、かなりわかりやすくて面白いです。
と、この動画を見ていて思ったのが、あれ？これってグレインの可視化の方法としてはベストに近いのでは？ということでした。一つの画面だけを見ていて、青い点が出て消えるものを探せばいいのです。実際上の動画でもそれらしいものがすでに見えています。
確かにグレインっぽいものが時間変動している!
いくつかの場所を見てみましたが、青い点を目立たるようにして見たいということで、太陽の右側(西側)を見ることにしました。理由は、ドップラーシフトで背景が赤にシフトするので、波長が短い側にある青い点は見やすくなるからです。グレインは数ピクセルくらいのサイズになりそうなので、ある程度拡大しないと見えないのかと思います。上と同じように、右側下部を600x600ピクセルくらいの大きさで切り取ってみました。
これでもまだ変動が激しく、青が目立つと言っても小さな点なので、かなりわかりにくいです。
もう少しわかりやすくするために、青がある閾値以上で、ある大きさの範囲にあり、点状に近い形のものを自動で検出して、それが同じような位置に連続で出ているものをピックアップするようにしてみました。1画面だけ出ているものが灰色、2画面連続で出ているものが淡い青色、3画面以上出ているものを濃い青丸で囲んでみました。これらの処理はpythonで書きましたが、特に閾値などのパラメータ設定がかなり難しくて、ここまでピックアップするのに100回近くパラメータを調整しています。高画像版はYoutubeにアップしています。
やっとグレインらしきものが出て消えていく様子がはっきりと分かるようになったのかと思います。
3分周期とのことですが、
- 一つのグレインが出たり入ったりを連続で繰り返すのが3分ごとなのか?
- 一つのグレインが出始めて消えるの過程が3分間で、その位置では繰り返して出ることはないのか?
まとめと今後
今回はHαグレインらしきものが見えたというところで終わりとしたいと思います。アマチュアレベルの分光器でこんなものが見える可能性が出てきたということだけも、かなり面白い結果だと思います。
この後発展させていくとしたら、やはり2006年の論文にあるようなCaHとの相関を見ることでしょうか。これだと複数台のSHG700が欲しくなります。もしくは、Hαのグレインの3分周期をグラフ化して、同様にCaHもグラフ化するとかでしょうか。これだと1台でもなんとかなるかもしれません。
HαとCaHのみでなく、他の波長でももしかしたら同様のグレイン現象があるのかもしれません。他の波長ではまだ誰もやっていないようなので、もしかしたら科学的な成果につながっていくかもしれません。こんなことまで視野に入ってくるSHG700はこれからもいろんな可能性を秘めているのかと思います。
日記
お盆期間は忙しくて、天文関連の記事はHαグレインについてだけです。雨だったり、満月だったり、暑かったり、結局あまり休みにはならずに仕事が入ったりで、ほとんど撮影とかはできませんでした。
イベントとしては、8月7日に富山駅近くの環水公園で観望会がありました。雲が多く、夏の大三角とかと最後の方で月を見たくらいですが、多くの人が訪れてくれました。県天メンバーだけでなく、富山大、県立大の天文部も参加してくれていました。
他にも、8月12日には母校の高校の天文部の合宿に参加させてもらいました。こちらも天気が悪くて、見えた星はおそらくデネブだと思いますが、1個だけでした。ちょうどペルセウス座流星群が極大期で、部のメンバーが電波観測で流星群を捉えようとしていました。これまで学校でテストはしてたとのことですが、実際の観測は初めてみたいで、いくつか検出できていたようです。私はあまり詳しくなかったので、原理を少し調べてみましたが、結構面白そうです。機材も含めてそこまで大変ではなさそうです。天気に関わらず、雨の日でも検出できるというのはちょっと面白いかもしれません。ちょっと手を出してみてもいいかとも思いますが、観測というのが続くと思えないので、今回みたいな流星群の時にイベント的にやってみるのは、天気が悪い時の補足手段としてもいいのかもしれません。
分光は一度にたくさんのデータがとれて、いろいろ解析することがあります。お盆期間も結局はこの記事のための処理でほとんど費やしてしまいました。さらに、他にも撮影した大量のデータで未処理のものがあり、時間を結構かけていますが結果に結びついていません。しかも、今後機材の方にもう少し進歩がありそうな感じです。とにかく分光はこれまで手を出してこなかった分野で、とてつもなく奥が深いので、今後ももう少し踏み込んでいきたいと思います。
