日食を支える科学

太陽の直径は月のおよそ400倍ですが、地球からの平均距離もおよそ400倍遠くにあります。この二重の偶然の結果、地表から見ると、太陽と月は空でほぼまったく同じ見かけの大きさになります。その結果、それぞれの日食で月が楕円軌道上のどの位置にあるかによって、太陽を完全に覆い隠すこともあれば、わずかに届かず金環日食のリングを残すこともあります。知られている限りでは、これは太陽系の中でも極めて珍しい偶然です。知られている衛星を持つほかのどの惑星でも、衛星と太陽の見かけの大きさがこれほど近く一致する例はありません。

この偶然があるからこそ、コロナを自然な形で観測することができます。天文学者はコロナグラフという、不透明な円盤で太陽の光を人工的に遮り、その周囲を観測するための機器も使いますが、その円盤は、機器の光学系内で散乱する光も遮る必要があるため、太陽そのものよりもいくらか大きくなければなりません。その大きさの差が、太陽の縁にぴったり接する最も内側のコロナを隠してしまいます。皆既日食では、月がちょうど太陽と同じ大きさで、多くも少なくもなくその位置を占めるため、地上のどんなコロナグラフも太陽の縁にこれほど近い部分を映し出すことはできません。

太陽の見える表面である光球は、温度がおよそ5,500°Cで、太陽の中でも群を抜いて明るい部分です。その上には彩層と呼ばれる薄く、より淡い層があり、皆既の始まりと終わりのごく直前・直後にだけ、水素に特有の発光によって色づいた細い赤い縁として見えます。さらにその外側には、太陽の外層大気であるコロナが広がっており、宇宙空間へ数百万キロメートルにわたって伸びています。これは日食の際に肉眼で見える範囲をはるかに超えるものです。そして驚くべきことに、コロナは100万度から数百万度もの温度に達し、その下にある光球よりもはるかに高温です。

この数字は誤りではありません。コロナは、その源である表面よりも数百倍も高温であり、熱源から離れるほど温度は下がるはずだという直感に、一見矛盾しています。これは「コロナ加熱問題」と呼ばれ、今日ではそれを説明する一般的な仕組み——太陽内部からコロナへとエネルギーを運ぶ磁気的な乱流や波——はかなりよく理解されているものの、依然として活発な研究領域であり、コロナグラフのフィルターを介さずに太陽の縁近くでそのエネルギーがどのように分布しているかを直接観測できるという点で、日食は今も貴重なデータをもたらし続けています。

これほどの極端な高温にもかかわらず、コロナは単位体積あたりの物質量が非常に少なく、非常に希薄であるため、その総輝度は光球のわずか100万分の1にすぎません。これが、コロナが皆既中にしか見えない理由の、何の神秘もない純粋に物理的な説明です。それ以外の時間帯には、太陽の直射光がコロナの100万倍も強く、コロナを完全にかき消してしまいます。工業用の投光器のそばでは灯したろうそくの炎が見えないのと同じことです。

もっともよく知られているのは歴史的な例でしょう。皆既中にしか行えないスペクトル分析によって可能になった1868年のヘリウムの発見や、アインシュタインの一般相対性理論が予測したとおり太陽の重力が星の光を曲げることを確認した1919年の観測は、「歴史の中の日食」で詳しく紹介しています。しかし、日食の科学的な意義はそこで終わりません。日食は今日でも、人工的なコロナグラフの妨げなしに、地上の観測機器が太陽の縁にもっとも近いコロナを観測できる唯一の機会であり続けています。それは、太陽観測専用の宇宙ミッションから絶えず届くデータを較正し、突き合わせる貴重な機会にもなっています。

日食はまた、大規模な市民科学プロジェクトも生み出してきました。皆既帯全体に散らばった数百人ものボランティア観測者を組織し、それぞれが日食が自分の場所を通過する数分間に別々の地点から撮影することで、それらの画像をつなぎ合わせ、一つの地点から見た皆既よりもはるかに長い——数秒ではなく数分の——連続した映像を再構成し、月影の経路全体にわたってコロナがどのように変化していくかを追跡することができます。

さらに、あまり目立たない、ほとんど循環的とも言える貢献もあります。何世紀も前に残された食の記録——古代文明が宗教的あるいは政治的な理由で残し、「歴史の中の日食」で説明したまさにその記録——は、今日、地球の自転速度が何世紀もかけてどれほどごくわずかに変化してきたかを精密に測定するために使われています。2000年前に特定の日食がどこで、いつ見られたはずかを計算し、その計算結果を、実際にどこで、いつ見られたと年代記が記しているかと比較することで、積み重なったごくわずかなずれを検出でき、それによって地球の自転が時間とともにどれだけ遅くなってきたかが明らかになります。これは「豆知識と今後の日食」で説明している、月を少しずつ地球から遠ざけているのと同じ潮汐摩擦の作用です。3000年以上前の天文学者たちが研究した現象は、当人たちが知らないまま、今日の天文学にデータを提供し続けているのです。