四角い穴を通して丸い日食を見ることはできますか?

アメリカにお住まいで、2017年の皆既日食を見逃してしまった方に朗報です！もうすぐまたチャンスがやってきます。4月8日、テキサス州と中西部の州を通過する皆既日食です。日食では月の影が地球に落ちます。もしあなたがその影の中にいたら、とても奇妙な光景になるでしょう。でも、同時に素晴らしい光景でもあるんです。

皆既日食の軌道上にいなくても、何かは見えます。アメリカ大陸全土で少なくとも部分日食が見られます。（NASAの日食ページで地図をご覧ください。）それから、これは言うまでもありませんが、たとえ月が太陽の大部分を遮っていても、専用のメガネなしで太陽を見てはいけません。大きなイベントの前に、安全な太陽観測者を見つけることができるかもしれません。

でも、メガネを使わずに日食を見る別の方法があります。ピンホールプロジェクターを使うのです。作り方も使い方もとても簡単です。段ボールのような平らなものがあれば十分です。ピンで穴を開けるだけです。太陽の光が穴を通過すると、平らな面（例えば歩道）に映像が映し出されます。

普段なら丸い光点が見えるでしょう。穴が丸いからだと思うかもしれません。しかし、日食の時は、月が太陽の前を通過することで三日月形が見えるのです。素晴らしいだけでなく、目にも安全です。

実は、ピンホールビューアーを作る必要はありません。すでに私たちの周りに存在するのです。木の下に立つと、葉の隙間がピンホールの役割を果たし、小さな三日月形の像をいくつも映し出します。こちらは2017年の日食の際に撮った写真です。

ピンホールで楽しむ

ちょっとした楽しみのために、質問です。ほとんどのピンホールは丸いです（ピンの軸が円筒形だからです）。でも、もし丸い穴を四角い穴に置き換えたらどうなるでしょうか？丸い太陽が地面に投影する形はどんな形になるでしょうか？円でしょうか？四角でしょうか？それとも、スクエアクルでしょうか？三角形の穴だったらどうでしょうか？どうなるでしょうか？

実は、PUNCH（コロナと太陽圏を統合する偏光計）のカードを持っていて、円形、三角形、四角形の3つの穴でこの現象を説明しています。ぜひ見てみてください。

何が起こるかお見せしますが、まずは想像してみてください。そのことを考えている間に、ピンホールについて話しましょう。最も単純なケースを考えてみましょう。小さな円形の穴に小さな赤い光が灯っている状態です。（赤は見やすいという理由だけで選びました。）すると、次のようなことが起こります。

穴が小さいので、光が通る道は一つしかないことがわかります。つまり、光は光源から穴を通ってまっすぐスクリーンに当たるということです。では、もう一つ光源を追加したらどうなるでしょうか？こちらは緑色にしましょう。

緑色の光も穴を一方通行で通過するため、スクリーン上に2つのスポットが現れます。ただし、スクリーン上のスポットはライトに対して上下逆さまになっていることに注意してください。間にライトをいくつか追加すれば、スクリーン全体にスポットが連続して現れます。

さて、このアイデアを極端に進めて、ライトを猫のような連続した物体に置き​​換えてみましょう。猫の各点から反射した光は、それぞれ異なる角度で小さな穴を通過します。猫の上部からの光はスクリーンの下部に点を作ります。猫の下部からの光も上部に当たり、その間にあるすべての物体も同様に反射します。つまり、スクリーン上には猫の全体像が逆さまに映し出されるのです。

はい、ピンホールカメラはカメラと同じような方法で画像を作成できます。ただし、大きな違いが一つあります。猫の画像は非常に暗くなります。穴が非常に小さいため、通過する光の量が少ないのです。カメラは、より大きな絞りとレンズを使って画像を「スクリーン」（フィルムまたはセンサー）に焦点を合わせることで、この問題を回避しています。しかし、この簡単な装置を使って実際にピンホールカメラを作ることができます。実際に存在します。私も一度、ピンホールビデオカメラを作ったことがあります。

もっと大きな穴の場合はどうでしょうか?

しかし、パンチカードのように小さくて丸くない穴の場合はどうでしょうか？ 針で刺した穴よりも大きい穴の場合は、話は複雑になります。しかし、たくさんの小さなピンホールを密集させることで、この効果を近似することができます。まずは、小さな穴を2つ作るところから始めましょう。図をご覧ください。

光源からスクリーンに到達する光路が2つあります。つまり、スポットが2つあるということです。緑の光を加えると、両方の光が2つのスポットになります。

では、小さな穴を格子状に並べて、正方形の穴の形に近づけてみましょう。もちろん、穴の数を増やせば増やすほど、実際の正方形の穴に近づきます。今回は25個の穴を5ミリメートル幅の格子状に並べています。つまり、1つのライトがスクリーン上に25個の点を作ることになります。（線をそんなにたくさん描きたくなかったので、Pythonで書きました。）見てみましょう。

それぞれの光源がスクリーンに正方形の像を投影しているのが分かります。四角い穴から正方形の像が投影されるというのは、予想通りです。しかし、ここで少し立ち止まって、私たちが見ているものについて考えてみましょう。これは実際には物体の上下逆さまの像です。猫ではなく、6センチ間隔で配置された一対のライトです。そして、像の2つの部分は正方形でできています。

これを本当に理解するために、スクリーンを穴からわずか1ミリメートル離れたところから30センチメートル離れたところまで動かしてみましょう。私のモデルでは、次のような結果が得られました。

スクリーンが穴のすぐ近くにあるとき、穴の画像（一つの正方形）が見えることに注意してください。そして、穴から離れていくと、物体、つまり光源の画像（赤と緑の光のペア）が見えてきます。そして、それは正方形でできた画像です！もし物体が点光源ではなく、大きな丸い太陽だったら、小さな正方形でできた大きな丸い画像が見えるでしょう。

信じられない？別の例を挙げてみましょう。皆既日食の周りの光の輪のような円形の光を三角形の穴に通したらどうなるでしょうか？スクリーンを後ろに引くとこんな感じになります。

繰り返しますが、スクリーンが穴のすぐ近くにある場合は、穴の形（三角形）になります。遠い場合は、光源の形（円）になります。つまり、光源と穴の形はどちらも重要です。スクリーンが穴に近い場合は、円で構成された三角形になります。遠い場合は、三角形で構成された円になります。これは本当にクールですね。

パンチカードの使用

パンチカードで試してみましょう。穴の近くに「スクリーン」（実際には壁）があります。

3つの穴が、穴の形（三角形、丸、四角形）に絵を描いているのがわかります。カードを壁から離すとどうなるでしょうか？

今はただの3つの円です。太陽のイメージが円で、太陽は丸いので、円なのです。でも、日食中にこれをやると、月が太陽の前を移動するにつれて、3つの三日月が見えるはずです。分かりますか？皆既日食の場所に行けなくても、ピンホール望遠鏡でたくさんの楽しみ方ができますよ。