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プラネタリウム（複数形：プラネタリウムまたはプラネタリア）は、主に天文学や夜空に関する教育的で娯楽的なショーを上演したり、天体航法の訓練を行うために建てられた劇場です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
ほとんどのプラネタリウムの特徴は、星、惑星、その他の天体の映像を映し出し、その動きをリアルに再現する大きなドーム型の投影スクリーンです。投影方法は様々で、スターボール、スライドプロジェクター、ビデオ、フルドームプロジェクターシステム、レーザーなどがあります。一般的なシステムでは、過去または現在の任意の時点の空を再現するように設定でき、多くの場合、地球上のどの緯度から見ても夜空がどのように見えるかを描写することができます。
プラネタリウムの大きさは、ロシアのサンクトペテルブルクにある直径37メートルのドーム（「プラネタリウム1号」と呼ばれる）から、来場者が床に座る直径3メートルの空気注入式移動ドームまで様々です。西半球最大のプラネタリウムは、ニュージャージー州のリバティ・サイエンス・センターにあるジェニファー・チャルスティ・プラネタリウムで、ドームの直径は27メートルです。座席数では、インドのコルカタにあるビルラ・プラネタリウムが630席で最大です。[ 4 ]北米では、ニューヨーク市のアメリカ自然史博物館にあるヘイデン・プラネタリウムが423席で最多です。
プラネタリウムという用語は、コンピュータシミュレーションや太陽系儀など、太陽系を説明する他の装置を指す場合にも一般的に使用されることがあります。プラネタリウムソフトウェアとは、空の3次元画像を2次元のコンピュータ画面にレンダリングしたり、3D表現のために仮想現実ヘッドセットにレンダリングしたりするソフトウェアアプリケーションのことです。[ 5 ]プラネタリアンという用語は、プラネタリウムの専門スタッフのメンバーを指す場合に使用されます。
古代ギリシャの博学者アルキメデスは、太陽、月、惑星の動きを予測できる原始的なプラネタリウム装置を作ったとされている。 [ 6 ] [ 7 ]アンティキティラ島の機械の発見は、おそらくアルキメデスの死後ではあるが、そのような装置が古代にすでに存在していたことを証明した。ノヴァラのカンパヌスは、著書『惑星理論』の中で惑星赤道儀について説明し、その作り方も記した。 1650年頃に作られたゴットルフの地球儀の内側には星座が描かれていた。[ 8 ]これらの装置は今日では通常、オーラリー（オーラリー伯爵にちなんで名付けられた）と呼ばれる。実際、今日の多くのプラネタリウムには投影オーラリーがあり、ドーム上に太陽系（太陽と土星までの惑星を含む）を規則的な軌道で投影している。
1229年、第5回十字軍の終結後、神聖ローマ皇帝フリードリヒ2世は星や惑星を表す穴が散りばめられたテントを持ち帰った。この装置は内部で回転テーブルによってテントを回転させるように操作されていた。[ 9 ]
18世紀の典型的な天体儀は小型であったため、その影響力は限られており、世紀末には多くの教育者がより大型の天体儀の製作を試みた。アダム・ウォーカー（1730～1821）とその息子たちの試みは、演劇的な錯覚と教育を融合させようとした点で特筆に値する。ウォーカーの「エイドゥラニオン」は、彼の公開講演や演劇公演の中心であった。ウォーカーの息子はこの「精巧な機械」について、「高さ20フィート、直径27フィート。観客の前に垂直に立てられ、その球体は非常に大きいため、劇場の最も遠い場所からでもはっきりと見える。すべての惑星と衛星は、何の支えもなく宇宙空間に浮かんでいるように見え、何の明白な原因もなく、年周運動と日周運動を行っている」と述べている。他の講演者たちもそれぞれ独自の装置を宣伝した。R.E.ロイドは自身の「ディオアストロドクソン」、すなわち「巨大透明天体儀」を宣伝し、1825年までにウィリアム・キッチナーは直径42フィート（13メートル）の「ウラノロギア」を売り出していた。これらの装置は、おそらく天文学的な正確さよりも、観衆を喜ばせる見世物や、センセーショナルで畏敬の念を抱かせる映像を重視していたのだろう。
現存する最古のプラネタリウムは、フリースラント州のフラネケル市にあります。これは、アイゼ・アイジンガ（1744年～1828年）が自宅のリビングルームに建てたものです。アイジンガはプラネタリウムの建設に7年を費やし、1781年に完成させました。[ 10 ]
1905年、ミュンヘンのドイツ博物館のオスカー・フォン・ミラー（1855-1934）は、M・ゼントナーに歯車式太陽系儀とプラネタリウムの改良版を依頼し、後にイエナのカール・ツァイス光学工場の主任技師フランツ・マイヤーと共同で、太陽中心運動と地球中心運動の両方を表示できる、当時最大規模の機械式プラネタリウムを製作した。これは戦争で建設が中断された後、1924年にドイツ博物館で展示された。惑星は電気モーターで駆動する頭上のレールに沿って移動し、土星の軌道は直径11.25メートルだった。180個の星が電球によって壁に投影された。
この建設が進められている間、フォン・ミラーはツァイス工場で、ハイデルベルク大学のハイデルベルク・ケーニヒシュトゥール国立天文台の所長であるドイツ人天文学者マックス・ヴォルフと共に、シカゴ科学アカデミーのウォレス・W・アトウッドの研究とツァイスのヴァルター・バウアーズフェルトとルドルフ・シュトラウベル[ 11 ]のアイデアに触発された斬新な設計に取り組んでいた。その結果、光学プロジェクター内部で星や惑星の必要な動きをすべて生成し、部屋の中央に設置して半球の白い表面に画像を投影するプラネタリウムの設計が生まれた。1923年8月、最初の（モデルI）ツァイスプラネタリウムが、ツァイス工場の屋上に建てられた16メートルの半球状のコンクリートドームの白い石膏の内壁に夜空の画像を投影した。最初の公式公開は、1923年10月21日にミュンヘンのドイツ博物館で行われた。[ 12 ] [ 13 ]
ツァイス・プラネタリウムは人気を博し、多くの注目を集めた。次に、ローマ（1928年、ディオクレティアヌス浴場の一部であるアウラ・オッタゴナ）、シカゴ（1930年）、大阪（1937年、大阪市電気科学博物館）にツァイス・プラネタリウムが開設された。[ 13 ]
戦後、ドイツが東西に分断された際、ツァイス社も分裂した。一部は東ドイツのイエナにある伝統的な本社に留まり、残りは西ドイツに移転した。ツァイス社初のプラネタリウムを設計したヴァルター・バウアースフェルトも、他のツァイス経営陣と共に西ドイツに移住した。彼はそこで1959年に亡くなるまで、西ドイツ・ツァイス社の経営陣の一員として留まった。
西ドイツの会社は1954年に大型プラネタリウムの製造を再開し、東ドイツの会社は数年後に小型プラネタリウムの製造を開始した。一方、プラネタリウム製造業者の不足により、サンフランシスコのゴールデンゲートパークにカリフォルニア科学アカデミーが建設し、1952年から2003年まで運営されたプラネタリウムなど、独自のモデルを建設する試みがいくつか行われた。コルコシュ兄弟はボストン科学博物館のために大型プロジェクターを製作したが、これは天王星を投影した最初の（そして非常に長い間唯一の）プラネタリウムとしてユニークだった。ほとんどのプラネタリウムは、天王星は肉眼でかろうじて見える程度なので無視している。
1950年代から60年代にかけての宇宙開発競争は、プラネタリウムの世界的な人気を大きく押し上げた。当時、アメリカが宇宙という新たなフロンティアの機会を逃してしまうのではないかという懸念から、アメリカの高校に1200以上のプラネタリウムを設置する大規模な計画が推進されたのである。
アーマンド・シュピッツは、小型で安価なプラネタリウムに需要があることを認識していました。彼の最初のモデルであるシュピッツAは、正十二面体から星を投影するように設計されており、地球儀を作る際の機械加工費用を削減しました。[ 14 ]惑星は機械化されていませんでしたが、手動で動かすことができました。さまざまな機能のアップグレードが施されたいくつかのモデルが続き、1000個以上の星を投影するA3Pでは、太陽、月（満ち欠けを含む）、惑星の緯度変化、日周運動、年周運動をモーターで動かすことができました。このモデルは、1964年から1980年代にかけて、数百の高校、大学、さらには小さな博物館にも設置されました。
日本は1960年代にプラネタリウム製造事業に参入し、後藤製作所とミノルタがそれぞれ様々なモデルを販売して成功を収めた。特に後藤製作所は、文部省が同社の最小モデルであるE-3型またはE-5型（数字はドームの直径を表す）を全国の小学校に設置したことで大きな成功を収めた。
ニューヨーク市のヘイデン・プラネタリウムで講師を務めていたフィリップ・スターンは、プログラム可能な小型プラネタリウムを作るというアイデアを思いついた。彼の「アポロ」モデルは、プラスチック製のプログラムボード、録音された講義、フィルムストリップを備え、1967年に発表された。スターンは自費で購入することができなかったため、ロングアイランドにある中規模のオーディオビジュアル企業、ビューレックスのプラネタリウム部門の責任者となった。約30種類の既製プログラムが様々な学年や一般向けに作成され、オペレーターは独自のプログラムを作成したり、プラネタリウムをライブで運営したりすることもできた。アポロの購入者は2種類の既製プログラムから選択でき、さらに追加購入することも可能だった。数百台が販売されたが、1970年代後半、ビューレックスはプラネタリウム事業とは無関係の理由で倒産した。
1970年代には、プラネタリウムのスクリーンで上映するためのオムニマックス映画システム（現在はIMAXドームとして知られる）が考案されました。近年では、一部のプラネタリウムがドームシアターとしてリニューアルし、ワイドスクリーンや「ラップアラウンド」映画、全天周ビデオ、音楽とレーザーで描かれた模様を組み合わせたレーザーショーなど、より幅広いコンテンツを提供しています。
マサチューセッツ州のラーニング・テクノロジーズ社は、 1977年に世界初の持ち運びやすいプラネタリウムを発売した。フィリップ・サドラーが設計したこの特許取得済みのシステムは、取り外し可能な円筒から星、多くの神話に登場する星座、天体座標系などを投影するものだった（ビューレックス社などが後に独自のポータブル版を発売した）。
1989年にドイツが再統一されると、2つのツァイス社も同様に、さまざまなサイズのドームに対応する製品ラインナップを拡充した。
1983年、エバンス＆サザーランド社は、コンピュータグラフィックスを表示する初のデジタルプラネタリウムプロジェクター（ユタ州ソルトレイクシティのハンセンプラネタリウム）を設置しました。Digistar Iプロジェクターは、ベクターグラフィックスシステムを使用して星空や線画を表示しました。これにより、オペレーターは、地球から見える現代の夜空だけでなく、宇宙と時間の遥か彼方から見える夜空も柔軟に表示できるようになりました。Digistar 3から始まる最新世代のプラネタリウムプロジェクターは、フルドームビデオ技術を提供しています。これにより、あらゆる画像を投影することが可能になりました。
プラネタリウムのドームは、直径3メートルから35メートルまで様々なサイズがあり、収容人数は1人から500人までです。用途に応じて、常設型と可搬型があります。
プラネタリウムでの視聴体験のリアリティは、画像のダイナミックレンジ、つまり明暗のコントラストに大きく左右されます。ドーム型の投影環境では、明るい画像がドームの片側に投影されると、反対側に光が反射し、黒レベルが「持ち上がり」 、画像全体が非現実的に見えるため、これは常に課題となります。従来のプラネタリウムショーは主に黒い背景に小さな光点（星など）が映し出されるものであったため、これは大きな問題ではありませんでしたが、デジタル投影システムがドームの大部分を明るい物体（例えば、太陽の大きな画像など）で埋め尽くすようになると、問題となりました。そのため、現代のプラネタリウムのドームは、白ではなく中間色のグレーで塗装されることが多く、反射率を35～50%程度に抑えています。これにより、知覚されるコントラストレベルが向上します。
ドーム建築における大きな課題の一つは、継ぎ目をできる限り目立たなくすることです。設置後にドームを塗装するのは大変な作業ですが、適切に行えば継ぎ目をほぼ完全に消すことができます。
従来、プラネタリウムのドームは、実際の夜空の自然な地平線に合わせて水平に設置されていました。しかし、この構造では快適に「真上」を見るためには椅子をかなり傾ける必要があるため、より快適性を高めるために、ドームを水平から5～30度傾けて建設することが増えています。傾斜したドームは、ドームの最下部から約3分の1の高さにある中央付近に、最適な視聴位置（スイートスポット）が設けられる傾向があります。傾斜したドームの座席は、一般的にスタジアムのように直線状に段状に並んでいます。一方、水平なドームの座席は、通常、同心円状（中心を向く）または外心円状（正面を向く）に円形に並んでいます。
プラネタリアでは、観客のフィードバックをリアルタイムでショーに反映させるために、座席の肘掛けにボタンやジョイスティックなどの操作部を設けることがある。
ドームの縁（「入り江」）の周りには、しばしば次のようなものがある。
従来、プラネタリウムでは、観客の出入りを容易にし、日の出と日の入りを再現し、ドーム清掃のための作業灯として、ドームの周囲に多数の白熱灯が必要でした。しかし近年、 LED照明が登場し、消費電力を大幅に削減するとともに、ランプを定期的に交換する必要がなくなったため、メンテナンスの手間も軽減されています。
世界最大の機械式プラネタリウムは、ウィスコンシン州モニコにあります。コバック・プラネタリウムと呼ばれるこのプラネタリウムは、直径22フィート（約6.7メートル）、重さ2トンです。地球儀は木製で、可変速モーターコントローラーで駆動されます。これは世界最大の機械式プラネタリウムで、シカゴのアトウッド・グローブ（直径15フィート、約4.6メートル）よりも大きく、ヘイデン・プラネタリウムの3分の1の大きさです。
最近のプラネタリウムの中には、ガラスの床を備えたものもあり、観客は球体の中心付近に立つことができ、あらゆる方向に投影された画像に囲まれ、宇宙空間に浮かんでいるような感覚を味わうことができます。例えば、エストニアのタルトゥにあるAHHAAの小さなプラネタリウムには、観客の足元や頭上に画像を投影するための特別なプロジェクターを備えた、このような設備があります。[ 16 ]
従来のプラネタリウムの投影装置は、内部に光源を備えた中空の球体を使用し、各星にピンホールが開けられているため、「スターボール」と呼ばれていました。シリウス、カノープス、ベガなどの非常に明るい星の場合、十分な光を取り込むために穴を大きくする必要があり、ドーム上の一点に光を集中させるための小さなレンズが穴の中に設置されていました。後期のプラネタリウムのスターボールでは、個々の明るい星にそれぞれ個別のプロジェクターが備えられており、小さな懐中電灯のような形状で、各星に焦点を合わせるためのレンズが付いています。接点遮断器によって、プロジェクターが「地平線」より下に投影されるのを防いでいます。
星空投影機は通常、地球の自転をシミュレートし、地球上の緯度をシミュレートするために、全体が回転するように取り付けられています。また、通常は歳差運動の効果を生み出すための回転機構も備えています。多くの場合、このような球体は南黄道極に取り付けられています。この場合、南側の空白領域がドームに投影されるほど南にまで視野を移動させることはできません。一部の星空投影機は、ダンベルのように投影機の両端に2つの球体を備えています。この場合、すべての星を表示でき、視野を両極またはその間の任意の場所に移動させることができます。ただし、2つの球体の投影領域が交わる部分や重なる部分で一致するように注意する必要があります。
小型のプラネタリウムプロジェクターには、恒星、太陽、月、惑星、そして様々な星雲が映し出されます。大型のプロジェクターには、彗星やさらに多くの種類の星も映し出されます。追加のプロジェクターを使えば、スクリーンの周囲に薄明（都市や田園風景を含む）や天の川を映し出すこともできます。その他にも、座標線や星座、写真スライド、レーザー光線、その他の画像を表示できるプロジェクターもあります。
各惑星は、ドーム上に光の点を作り出すように鋭く集光されたスポットライトによって投影されます。惑星投影装置には、位置を調整して惑星の動きをシミュレートするためのギア機構が必要です。これらの装置には、以下のような種類があります。
従来の星空投影機は、優れた視聴体験を提供するものの、いくつかの本質的な限界を抱えています。実用的な観点から言えば、低照度のため、観客が目を「暗順応」させるのに数分を要します。また、「星空投影」は、夜空の地上からの眺めに留まるため、教育的な観点からは限界があります。さらに、ほとんどの従来の投影機では、様々な重ね合わせ投影システムが適切な掩蔽を実現できません。つまり、例えば星空の上に惑星の画像を投影しても、惑星の画像を通して星が透けて見え、視聴体験の質が低下してしまうのです。同様の理由から、一部のプラネタリウムでは、地平線下の星をドーム下の壁や床に投影したり、（明るい星や惑星の場合）観客の目に映り込むように投影したりしています。
しかし、光ファイバー技術を用いて星空を映し出す新型の光機械式プロジェクターは、よりリアルな空の姿を映し出すことができる。
プラネタリウムでは、従来スターボールの周囲に用いられていた相互接続されたプロジェクターシステム全体をデジタル技術に置き換えるケースが増えている。これは、従来のスターボールシステムの限界を克服するためである。デジタルプラネタリウムのメーカーは、可動部品が少なく、ドーム全体で複数の独立したシステム間の動きの同期が一般的に不要であることから、従来の「スターボール」システムに比べてメンテナンスコストが削減され、信頼性が向上すると主張している。一部のプラネタリウムでは、従来の光機械式投影とデジタル技術を同じドーム上で併用している。
完全デジタル式のプラネタリウムでは、ドーム内の画像はコンピューターで生成され、陰極線管、液晶ディスプレイ（LCD） 、デジタルレーザープロジェクター（DLP）、レーザープロジェクターなど、さまざまな技術を用いてドームに投影されます。ドームの中央付近に設置された単一のプロジェクターに魚眼レンズを取り付け、ドーム全体に光を拡散させる場合もあれば、ドームの地平線付近に複数のプロジェクターを配置し、映像がシームレスに融合するようにする場合もあります。
デジタルプロジェクションシステムはすべて、夜空の画像を多数のピクセルで構成することで機能します。一般的に、システムが表示できるピクセル数が多いほど、視聴体験は向上します。第一世代のデジタルプロジェクターは、最高級の従来型「スターボール」プロジェクターの画質に匹敵するピクセル数を生成することができませんでしたが、現在ではハイエンドシステムにより、人間の視力の限界に近い解像度を実現しています。
LCDプロジェクターは、真の黒と光を投影する能力に根本的な限界があり、プラネタリウムでの使用が制限される傾向がありました。LCOSおよび改良型LCOSプロジェクターは、LCDのコントラスト比を向上させるとともに、LCDピクセル間の小さな隙間による「スクリーンドア効果」も解消しました。「ダークチップ」DLPプロジェクターは、標準的なDLP設計を改良し、明るい画像で比較的安価なソリューションを提供できますが、黒レベルにはプロジェクターの物理的な遮蔽が必要です。技術が成熟し、価格が下がるにつれて、レーザー投影は明るい画像、広いダイナミックレンジ、非常に広い色空間を提供するため、ドーム投影に有望視されています。
世界中のほとんどのプラネタリウムでは、一般向けにショーを提供しています。従来、こうした観客向けには、「今夜の空には何が見えるかな？」といったテーマのショーや、夜空に関連した宗教的な祭典（多くはクリスマスの星）などの時事問題を取り上げたショーが人気を集めてきました。多くの会場では、生放送の形式が好まれています。これは、生の講演者やプレゼンターが観客からの質問に答えることができるためです。
1990年代初頭以来、本格的な3Dデジタルプラネタリウムの登場により、プレゼンターはショーをより自由に展開できるようになりました。これは、私たちが最もよく知っている地球からの視点だけでなく、宇宙のあらゆる地点からの眺めをシミュレーションできるようになったためです。宇宙を旅するこの新しい仮想現実機能は、宇宙には奥行きがあることを鮮やかに伝え、星々が巨大な天球の内側に閉じ込められているという古くからの誤解を払拭し、太陽系やその先の宇宙の真の構造を理解する上で、重要な教育的効果をもたらします。例えば、プラネタリウムでは、オリオン座のような馴染み深い星座へと観客を「飛行」させることができ、地球からの視点では整然とした形に見える星々が、実際には地球から非常に異なる距離にあり、人間の想像や神話の中を除いては互いに繋がっていないことを明らかにすることができます。特に視覚や空間認識能力に優れた人にとって、この体験は他のデモンストレーションよりも教育的に有益なものとなるでしょう。