フラウンホーファー線にD3線が見当たらない理由

簡易分光器で撮ったフラウンホーファー線の画像をよくよく見ると（ナトリウムの）D1線、D2線は写っているのに、（ヘリウムの）D3らしき暗線（吸収線）が写っているようには見えません。

「太陽光のフラウンホーファー線（575nm～595nm）」より

　　参考
　　　　　　「D3線はいずこ？　- 簡易分光器の限界に挑む」
　　　　　　　「フラウンホーファー線の詳細リストとD3線が存在しないこと」

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簡易分光器だから、とも考えるのですがD1、D2線の周囲には（そしてD1、D2線の間にさえも）暗線はたくさんあるのに“有名な”D3が写っていないというのは不思議です。

このことについては上にリンクしたように二回ほど記事にしたのですが、最近やっと理由がわかりました。結論だけ先に書くと（太陽光のスペクトルに見られる暗線がフラウンホーファー線の定義だとすれば）単に

　　フラウンホーファー線にD3線は存在しない

というだけの話でした。以下このことについて詳しく書きます

まず、なぜフラウンホーファー線の中にD3線があると思った（思い込んでしまった）か、ということから書きます。

じつは「フラウンホーファー線にD3線が存在する」とする書物やネット情報（例えばWikipedia）が相当数存在します（「Wikipedia - フラウンホーファー線」 に関しては6月9日編集しました）

一例を上げればこういうのがあります。

太陽の光はほぼ連続スペクトルであるが、ところどころに鋭い暗線（吸収線）がある。この暗線をフラウンホーファー線（Fraunhofer Line）という。この中に、当時まだ知られていなかった元素の吸収線があった。のちにこのことからギリシャ語の太陽（ヘリオス Helios）をもとにして命名されたのがヘリウムである。ヘリウムは地球上に存在しないと思われていたが、後になって地球上でも発見された。
　　（小暮陽三「なっとくする演習・量子力学」　講談社 2000年）

この文章は「ボーア・ゾンマーフェルトの量子条件」の説明のところにある余談・おまけみたいなものなんですが、分光器に一生懸命になっている私みたいな人間がここを読むと、ああD3線ってフラウンホーファー線なんだと思ってしまうことになります。

太陽光のフラウンホーファー線（575nm～595nm）

今回のフラウンホーファー線の詳細は575nm～595nmの範囲です。

ナトリウムD線が存在するところになります。

フラウンホーファー線の詳細リストとD3線が存在しないこと

「D3線はいずこ？　- 簡易分光器の限界に挑む」 に書いた（Wikipediaの）D3線ですが、実際には存在しないことがわかりました。

追記 2018.06.02
　　ないはずのD3線があることになっている事情について
　　　　「フラウンホーファー線にD3線が見当たらない理由」
　　に書きました

後記するようにフラウンホーファー線の詳細リストが見つかりました。そこで撮影した画像とリストを付きあわせてみました。



1がD1、2がD2ですが、3.、4.は詳細リストから波長が特定できたものです。これによってWikipediaにあるD3線の波長がスペクトル画像のどこに相当するかが正確にわかるようになりました。これが5.の位置です。結論は

　　（少なくとも半値幅0.04ｎｍの分光器で見る限り）D3線の位置に吸収線は存在しない。

となります。ちょっと左に吸収線っぽいものがありますが、これはD3線とは波長が異なることが今回は言い切れます。

理科年表（というかその元ネタ）にD3がないのは

　　1. 暗線の位置を調べたらHeの波長のようだ。
　　2. Heの波長587.565nmの吸収線にD3という名前をつけよう。
　　3. 正確に測定したらHeの波長のところには吸収線がない。
　　4. D3はなかったことにしよう。

ということなんじゃないでしょうか。

なお6.の緑の線はネオンのスペクトルから拾ってきたものです。わずかに左にに吸収線がありますが、これも別物で吸収線の方は地球大気中の水蒸気のようです。

D3線はいずこ？ - 簡易分光器の限界に挑む

「ナトリウムD線のはざま」では色分解能が今ひとつ不足していたのですが、その後ひままず納得できるD線の写真が撮れました。



オリジナルの画像を25%に縮小したものです。露出不足が残念なのですが、色分解能は高いです。D1、D2の間にある暗線の数を数えることができます。

フラウンホーファー線が輝線に見えるとき - 色分解能による見え方の違い

「フラウンホーファー線の間にナトリウムの輝線が見えた？」 という記事を書いたのですが、常識的に考えたら何かの間違い----何らかの理由で輝線があるように見えただけ----としか思えません。

実際にそんな例がないか探したら最近撮影したものにありました。「ナトリウムD線のはざま」でD線について書いたのですが、このときは焦点距離がそんなに大きくなかったのでb1線くらいのところまで写っています。つまりE線も写っているわけですが、D線を撮るのが目的なのでE線のあたりはピンぼけ気味です（というか、その前に焦点距離が短くて分解能が低かったです）

この画像からE線のあたりを「スペクトル画像（分光写真）を数値化（グラフ化）する方法」で数値化してみました。

波長のわかっている吸収線がかなりあるのでそれらをもとに画像上の位置と波長の関係を求めグラフは横軸が波長になるように作ってあります。また理科年表やWikipediaなどから吸収線の波長を調べその位置を赤い縦線で示してあります。


この画像はクリックすると等倍に縮小されます。


画像に比べるとグラフがきれいですが、これは矩形の領域を数値化するとき一次元化（平均化）されるためノイズが小さくなるためです。


まず1のところはE線です。二本の吸収線があるところですが、分離できず1本に見えています。

2.は一見問題なさそうですが、ディップが気持ち右（波長が長い方）にずれているようにも見えます。

3. は完全に位置がずれています。

4.、5.は特に問題はないようです。

6. が吸収線があるべきところがピーク（輝線）になっているケースです。そしてよく見るとピークの位置は吸収線のあるべき位置よりちょっと左にずれています。

フラウンホーファー線の間にナトリウムの輝線が見えた？

この記事はちゃんと最後まで読んだ方がいいです。

太陽光を簡易分光器を使って撮影するとフラウンホーファー線があります。
簡易分光器を作り始めた頃は、E線ってどれだろう？、レベルだったのですが最近簡易分光器の色分解能もかなり高くなってきて太陽光を撮影するとそれこそ無数にフラウンホーファー線が写っている感じです。すでにフラウンホーファーの576本（『天文学辞典』（鈴木敬信著、1986年）によります）は軽く超えたと思われます。

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単に撮影するだけではおもしろくないので波長のわかっている吸収線（暗線）の位置を調べたり、吸収線の波長から該当する元素を調べたりしています。簡易分光器ですからそれ自体で正確な波長を知ることはできません。太陽光の直接撮影だと蛍光灯やネオン管の光をいっしょに映し込むというのもできませんので

　　1. 代表的な吸収線で波長がわかっているものを探し、画像位置を調べる
　　2. 波長と画像位置の近似式を作る
　　3. 吸収線の画像位置と近似式からその波長を求めて該当する元素を探す

という手順になります。

ただ実際にやってみるとなかなかたいへんです。

514nm～520nmの画像
（オリジナルの画像ではなく「スペクトル画像（分光写真）を数値化（グラフ化）する方法」で数値化し「スペクトルデータをExcelでSVG画像にしてみた」で再画像化したものです。オリジナル画像は「簡易分光器・半値幅0.04nmの撮影条件」にあるものです）



上の画像に相当する範囲の分光分布曲線

フラウンホーファー線（475nm～495nm）

前回

　　「DVD簡易分光器で見えるフラウンホーファー線(515-535nm)」

ではE線、b線のあたりでしたが今回はHβ線（F線ともいいます）のあるところです。

次の画像の黄色でマークした範囲です。


Hβ線がありますので国立天文台岡山天体物理観測所のスペクトル画像と比較してみます。



国立天文台岡山天体物理観測所
　　 - 太陽のスペクトル - The Solar Spectrum - - 水素 Hβ線
提供 国立天文台 「自然科学研究機構 国立天文台 ウェブサイト 利用規程」によります。

簡易分光器の限界に挑む - フラウンホーファー線(b)

フラウンホーファー線の撮影方針を変更しました。

　　太陽光は直接光で撮る
　　撮影した画像はRAWデータ（DNG形式）で保存する

直接光で撮るのは「簡易分光器の撮影方法 - フラウンホーファー線を例に」 にも書いたようにいろいろと解決すべき問題があります。黒点の撮影と同じで難しいです。

問題はありますがメリットもあります。太陽は強烈に明るいですからスリット・回折格子間距離Lとスリットの間隔sの比 N = L/s をふつうでは考えられないくらい大きくできます。

また連続光の中に暗線があるケースではRAWデータで保存することはJPEGで保存するより有利なようです（理由はそのうち記事にします）

この結果これまでぜったい撮れなかったような画像が撮れました。

使用した簡易分光器は「DVD簡易分光器の改良 (4) - 組み立て」 に書いたものです。
L=350mm s=0.05mm以下（まだちゃんと測っていません）
RAWデータは直線性を保ったままRGBのセンサーの値それぞれ2、1、3の係数を掛けてJPEGにしたものです（そのため色味がだいぶ変わっています）



画像を見ただけでも、0.54nmしか離れていないb2とb4の間に暗線が二つある（赤い線）のがわかります。こうなると10,000前後の色分解能（ここでは0.05nmの半値幅）が達成できているようです。

太陽光のスペクトルと主要なフラウンホーファー線

簡易分光器の改良が終わり、スペクトル画像の分析手法も方針が定まったので再度フラウンホーファー線を調べてみました。

結果から先に書くとこうなりました。



上のグラフの範囲です。画像はオリジナルではなく数値化されたデータから再画像化したものです。

Wikipediaにあるような主要なフラウンホーファー線とされるものがどこにあるかは確認できました（b４、D3はまだ検出できていません）
　　<== 簡易分光器でb3とb4を分離するのはムリっぽいです。
　　<== 理科年表を見るとb1、b2、b4を分離できれば問題ないようです。
　　　　　理科年表の“主な太陽吸収線”にはb3はありませんでした。
　　　　　またb4についてはWikipediaと理科年表は波長が異なります。
　　　　　D3も理科年表にはなく実際のスペクトルを見てもそれらしい目立った吸収線はありませんでした。

この範囲でも数百のフラウンホーファー線が検出できているようで、それぞれがどの原子のものなのか調べ始めたのですが遅々として進みません。太陽にはたいていの元素はあるようでそうそう簡単に同定できるものではなさそうです。

上のグラフは暗線の位置がはっきりしませんが、これは
　　迷光対策が不十分でコントラストが悪化している
　　色分解能が不足している
ことが原因のようです。この二点を解決すると暗線の位置ははっきりわかるようになります。

フラウンホーファー線 - DVD簡易分光器による太陽光のスペクトル

太陽光にあるフラウンホーファー線を見ようといろいろやっています。「DVD簡易分光器で見るフラウンホーファー線（太陽光のスペクトル）」では“がんばりましょう”的結果だったので分光器の改良を検討しているのですが、時間がかかりそうなので今回は“画像処理的手法”の助けを借りてみました。


この記事の画像の質があんまりよくないのはいろいろ原因があるのですが、特に回折格子にDVD-ROMを使っていたためのようです。

　　「フラウンホーファー線の画像が画期的に改善！ - 太陽光のスペクトル」
　　
DVD-Rに変えた上でいろいろ改良を重ねたら見違えるようなフラウンホーファー線の写真が撮れるようになりました。

　　「D3線はいずこ？　- 簡易分光器の限界に挑む」



まず今回撮影した太陽光（正確には青空光です）の画像です。



右側に見える三角形のスペクトルは分光器をカメラに対して傾けて設置したために発生している迷光です。フードを手直しする必要があるのですがそのまま使っています。