太陽系と天体の運動（知識）の問題
天体望遠鏡で太陽の像を投影板に映し、同じ時刻に毎日、黒点のスケッチを続けた。太陽の像の一方の縁を縁 P、その反対側の縁を縁 Q とする。観測した 2 つの黒点 A（太陽面上の緯度およそ ）と黒点 B（太陽面上の緯度およそ ）の結果は、次の表のとおりである。
| 観測内容 | 黒点 A | 黒点 B |
|---|---|---|
| 縁 P に現れてから縁 Q で見えなくなるまでの日数 | 日 | 日 |
| 形の見え方 | 縁の近くでは縁に沿った方向に細長いだ円形、像の中央付近ではほぼ円形 | 黒点 A と同様 |
| 像の上での 1 日あたりの移動距離 | 中央付近で大きく、縁の近くで小さい | 黒点 A と同様 |
また、黒点 A は縁 Q で見えなくなってから 日後に、再び縁 P に現れた。観測の期間中、黒点 A・B の大きさはほとんど変わらなかった。
これらの観測結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 縁の近くで黒点が細長く見えたことから、黒点は太陽と地球の間を通過する天体の影であると考えられる。
- イ 黒点が中央付近で速く、縁の近くで遅く移動して見えたことから、太陽の自転の速さは日によって変化すると考えられる。
- ウ 黒点 B が太陽面を横切るのに黒点 A より長くかかったことから、太陽は緯度によって自転周期が異なると考えられる。
- エ 黒点 A が縁 Q で見えなくなってから再び縁 P に現れるまでの日数から、地球から見た太陽の自転周期は約 日と考えられる。
- オ 黒点 B が太陽面を横切るのに黒点 A より長くかかったことから、太陽は高緯度ほど自転周期が短いと考えられる。
この問題で使うもの
- 太陽の構造と黒点（説明と入口の問題）
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ヒント
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ヒント 1
黒点を毎日観測したときに、黒点の形の変化・移動の速さ・横切る日数がそれぞれ何を示すかを考えよう。
ヒント 2
球面上の模様を斜めから見ると、縁の近くでは縮んで見え、動きもゆっくりに見える。また、太陽が一体となって自転していれば、どの緯度の黒点も半周を同じ日数で横切るはずである。
ヒント 3
形の変化と移動の速さの変化は球面を見ていることによるものなので、ア・イは除ける。残りは、自転周期の長さと、緯度による違いの向き（高緯度ほど長いか短いか）を表の日数から判断しよう。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
黒点の連続観測からわかる基本事項は、(1) 黒点は太陽の表面（光球）にある、(2) 太陽は自転している、(3) 太陽の自転周期は緯度によって異なる（赤道付近で短く、高緯度ほど長い）、の 3 つである。
太陽が一体となって（固体のように）自転しているなら、どの緯度の黒点も、縁 P から縁 Q まで太陽面の半周分を同じ日数で横切るはずである。ところが、緯度約 の黒点 B は 日、赤道付近の黒点 A は 日と、横切るのにかかる日数が異なる。したがって、太陽は緯度によって自転周期が異なる（差動回転をしている）と考えられる。よって ウ が正しい。
各選択肢の検討:
- ア 誤り。縁の近くで縁に沿った方向に細長く見えるのは、球面上の円形の模様を縁の近くでは斜めから見ることになり、縁に垂直な方向に縮んで見えるためである。これは黒点が太陽の球面上（光球）にあることを示す。また、黒点 A は約 日後に再び縁 P に現れており、通過する天体の影ではこのようなことは起こらない。
- イ 誤り。中央付近で速く、縁の近くで遅く見えるのも、球面上を一定の速さで動く点を正面と斜めから見ているためである（縁の近くでは移動方向が視線方向に近くなり、像の上での移動距離が小さくなる）。自転の速さが日によって変わることを示すものではない。
- エ 誤り。黒点 A は縁 P から縁 Q まで（見える半周）に 日、縁 Q から再び縁 P まで（裏側の半周）に 日かかっている。1 回転には両方を合わせた約 日かかるので、地球から見た自転周期は約 日ではなく約 日である。
- オ 誤り。黒点 B のほうが太陽面の半周を横切るのに長くかかっているので、高緯度ほど自転がゆっくりであり、自転周期は高緯度ほど長い。「短い」が誤りである。
別解
黒点が縁 P から縁 Q まで太陽面（見えている半球）を横切る日数は、自転周期のおよそ半分にあたる。
- ア：縁付近で細長く見えるのは、球面上の円形の黒点を斜めから見るためである（投影による見かけの効果）。影ではないので誤り。
- イ：中央付近で移動距離が大きく縁付近で小さいのも、球面の動きを斜めから見る投影効果による。自転の速さが変化する根拠にならないので誤り。
- ウ：黒点 A は横切るのに 13.5 日、見えない裏側にいる期間も 13.5 日で、周期は約 27 日。黒点 B は 14.3 日かかるので、周期は約 28.6 日。緯度 0° と 30° で周期が異なるので、緯度によって自転周期が異なると考えられる。正しい。
- エ：A が縁 Q で消えてから再び縁 P に現れるまでの 13.5 日は、裏側にいる期間である。自転周期は 13.5 + 13.5 = 約 27 日であり、約 14 日ではないので誤り。
- オ：高緯度の B のほうが横切る日数が長い。つまり高緯度ほど自転周期が長い。「短い」は逆なので誤り。
したがって正解はウ。