Ако се замислите, беше само въпрос на време преди изобретяването на първия телескоп. Хората са очаровани от кристали от хилядолетия. Много кристали - например кварц - са напълно прозрачни. Други - рубини - абсорбират едни честоти на светлината и пропускат други. Оформянето на кристали в сфери може да се извърши чрез разцепване, прегъване и полиране - това премахва острите ръбове и закръгля повърхността. Разчленяването на кристал започва с намирането на недостатък. Създаването на полусфера - или кристален сегмент - създава две различни повърхности. Светлината се събира от изпъкналата предна повърхност и се проектира към точка на сближаване от равнинната повърхност. Тъй като кристалните сегменти имат тежки извивки, точката на фокус може да е много близка до самия кристал. Поради късите фокусни разстояния кристалните сегменти правят по-добри микроскопи от телескопите.
Именно кристалният сегмент - а лещата от стъкло не е направил възможно съвременните телескопи. Изпъкналите лещи излязоха от стъклена основа по начин да коригират далекогледството. Въпреки че и очилата, и кристалните сегменти са изпъкнали, далекогледските лещи имат по-малко тежки извивки. Лъчите на светлината са леко извити от паралела. Поради това точката, в която изображението приема форма, е много по-далеч от обектива. Това създава мащаб на изображението достатъчно голям за подробна проверка от човека.
Първото използване на лещи за увеличаване на зрението може да се проследи до Близкия изток на XI век. Арабски текст (Opticae Thesaurus, написан от учен-математик Ал-Хазен) отбелязва, че сегменти от кристални топки могат да бъдат използвани за увеличаване на малки предмети. В края на 13 век се казва, че английски монах (вероятно препращащ към Perspectiva на Роджър Бейкън от 1267 г.) създаде първите практически зрелища за близо фокусиране, които помагат при четенето на Библията. Едва през 1440 г., когато Николай Кузански заземява първата леща за коригиране на далекогледството -1. И ще са минали още четири века, преди дефектите на самата форма на лещата (астигматизъм) да бъдат подпомагани от набор от очила. (Това е постигнато от британския астроном Джордж Ери през 1827 г., около 220 години след друг - по-известен астроном - Йохан Кеплер първи точно описа ефекта на лещите върху светлината.)
Най-ранните телескопи се оформяха непосредствено след смилането на зрелището, което се утвърждава като средство за коригиране както на късогледството, така и на пресбиопията. Тъй като далекогледните лещи са изпъкнали, те правят добри „колектори“ на светлина. Изпъкнала леща поема паралелни лъчи от разстоянието и ги огъва до обща точка на фокус. Това създава виртуално изображение в космоса - такова, което може да бъде инспектирано по-внимателно с помощта на втори обектив. Добродетелта на колективната леща е двойна: Тя комбинира светлината заедно (увеличава интензивността си) - и усилва мащаба на изображението - и до степен, потенциално далеч по-голяма, отколкото самото око е способно.
Вдлъбнатите лещи (използвани за коригиране на зрялост) свирят светлина навън и правят нещата да изглеждат по-малки за окото. Вдлъбната леща може да увеличи фокусното разстояние на окото винаги, когато собствената система на окото (фиксирана роговица и морфинг леща) не достига до фокусиране на изображение върху ретината. Вдлъбнатите лещи правят добри окуляри, защото позволяват на окото по-внимателно да провери виртуалното изображение, излъчено от изпъкнала леща. Това е възможно, тъй като конвергентните лъчи от събиращата леща се пречупват към успоредката от вдлъбната леща. Ефектът е да покажете наблизо виртуално изображение, сякаш на голямо разстояние. Една вдлъбната леща позволява на лещата на очите да се отпусне, сякаш е фокусирана върху безкрайността.
Комбинирането на изпъкнали и вдлъбнати лещи беше само въпрос на време. Можем да си представим първия случай, който се случва като деца, играещи с труда на мелницата на лещите за деня - или евентуално, когато оптикът се почувства призван да инспектира един обектив с друг. Подобно преживяване сигурно изглеждаше почти вълшебно: далечна кула моментално се извисява, сякаш се приближава в края на дълга разходка; изведнъж се виждат неузнаваеми фигури като близки приятели; естествените граници - като канали или реки - са прескочени, сякаш собствените крила на Меркурий са били прикрепени към лекуващите ...
След като се появи телескопът, се представиха два нови оптични проблема. Лещите събиране на лещи създават извити виртуални изображения. Тази крива е леко „оформена в купа“ с дъното, обърнато към наблюдателя. Това разбира се е точно обратното на това как самото око вижда света. Защото окото вижда нещата така, сякаш са подредени върху голяма сфера, чийто център лежи върху ретината. Така че трябваше да се направи нещо, за да се изтеглят периметър лъчи обратно към окото. Този проблем е частично решен от астронома Кристиан Хюйгенс през 1650-те. Той направи това, като комбинира няколко обектива заедно като единица. Използването на две лещи донесе повече от периферните лъчи от колективна леща към паралела. Новият окуляр на Huygen ефективно изравнява изображението и позволява на окото да постигне фокус в по-широко зрително поле. Но това поле все пак би предизвикало клаустрофобия при повечето наблюдатели днес!
Крайният проблем беше по-неразрешим - пречупващите лещи огъват светлината въз основа на дължината на вълната или честотата. Колкото по-голяма е честотата, толкова по-определен цвят на светлината е огънат. Поради тази причина обектите, показващи светлина от различни цветове (полихроматична светлина), не се виждат в една и съща точка на фокус в електромагнитния спектър. По принцип лещите действат по начини, подобни на призмите - създавайки разпръскване на цветовете, всяка със своя уникална фокусна точка.
Първият телескоп на Галилео само реши проблема с приближаването на окото, за да увеличи виртуалното изображение. Инструментът му беше съставен от две лещи, разделящи се на контролирано разстояние за задаване на фокус. Обективът има по-малко силна крива, за да събира светлина и да я пренася в различни точки на фокус в зависимост от цветовата честота. По-малкият обектив - притежаван от по-строга крива с по-къса фокусна дължина - позволи на наблюдателното око на Галилей да се доближи достатъчно до изображението, за да види увеличени детайли.
Но обхватът на Галилей можеше да се фокусира само в средата на зрителното поле на окуляра. А фокусът можеше да се зададе само въз основа на доминиращия цвят, излъчван или отразен от онова, което Галилео гледаше по това време. Галилей обикновено наблюдава ярки проучвания - като Луната, Венера и Юпитер - използва спирачка на блендата и се гордее с това, че излезе с идеята!
Кристиаан Хюйгенс създаде първия - хуйгеновски - окуляр след времето на Галилей. Този окуляр се състои от две планово изпъкнали лещи, обърнати към събирателната леща - нито една вдлъбната леща. Фокалната равнина на двете лещи лежи между елементите на обектива и очите. Използването на две лещи изравнява извивката на изображението, но само над десетина градуса на видимото зрително поле. От времето на Хюйген, окулярите станаха много по-сложни. Започвайки с тази оригинална концепция за множественост, днешните окуляри могат да добавят още половин дузина или толкова оптични елементи, пренаредени по форма и позиция. Астрономите-аматьори вече могат да закупят окуляри от рафта, давайки доста плоски полета над 80 градуса с видим диаметър-2.
Третият проблем - този на хроматично оцветените многоцветни изображения - не е решен в телескопията, докато работещият рефлекторен телескоп не е проектиран и конструиран от сър Исак Нютон през 1670-те. Този телескоп елиминира напълно събиращата леща - въпреки че все още изисква използването на огнеупорен окуляр (което допринася много по-малко за „фалшив цвят“, отколкото цели).
Междувременно ранните опити за фиксиране на рефрактора бяха просто да ги удължат. Обхват до дължина до 140 фута. Нито една нямаше особено големи диаметри на лещите. Такива вретено диназаври изискват истински авантюристичен наблюдател, но „омаловажават“ проблема с цвета.
Въпреки елиминирането на цветната грешка, ранните рефлектори също имаха проблеми. Обхватът на Нютон използва огледало със сферично заземен спекулум. В сравнение с алуминиевото покритие на съвременните отражателни огледала, спекулумът е слаб изпълнител. При приблизително три четвърти способността за събиране на светлина от алуминий, спекулумът губи около една величина при улавяне на светлината. По този начин шест-инчовият инструмент, създаден от Нютон, се държеше по-скоро като съвременен 4-инчов модел. Но това не прави инструмента на Нютон трудно за продажба, той просто осигурява много лошо качество на изображението. И това се дължи на използването на онова сферично заземено първично огледало.
Огледалото на Нютон не изведе всички светлинни лъчи до общ фокус. Вината не се криеше със спекулата - тя имаше формата на огледалото, която - ако бъде разширена на 360 градуса - би направила завършен кръг. Такова огледало не може да доведе централните светлинни лъчи до същата точка на фокус като тези, които са по-близо до джантата. Едва през 1740 г., когато Джон Шорт от Шотландия коригира този проблем (за ос на ос), като параболизира огледалото. Кратко постигна това по много практичен начин: тъй като паралелните лъчи се приближават до центъра на сферично огледало, прехвърляйки пределните лъчи, защо просто не задълбочите центъра и да ги вкарате отново?
Едва през 1850 г. среброто замени спекула като огледална повърхност по избор. Разбира се, повече от 1000 параболични отражателя, произведени от Джон Шорт, всички са имали огледала за спекула. И среброто, подобно на спекулум, губи отразяващата способност доста бързо с окисляване. До 1930 г. първите професионални телескопи са били покрити с по-издръжлив и отразяващ алуминий. Въпреки това подобрение, малките отражатели носят по-малко светлина за фокусиране, отколкото рефракторите със сравнима бленда.
Междувременно рефракторите също се развиха. По време на Джон Шорт оптиците измислиха нещо, което Нютон няма - как да накара червена и зелена светлина да се слеят в обща точка на фокус чрез пречупване. Това е осъществено за първи път от Честър Мур Хол през 1725 г. и преоткрито четвърт век по-късно от Джон Доланд. Хол и Доланд съчетават две различни лещи - една изпъкнала и друга вдлъбната. Всяка от тях се състоеше от различен тип стъкло (коронка и кремък), пречупващо различна светлина (на базата на показатели на пречупване). Изпъкналата леща от стъкло на короната свърши непосредствената задача да събере светлина от всички цветове. Това огъна фотоните навътре. Отрицателната леща изпъкна сближаващия лъч леко навън. Когато положителната леща е причинила червената светлина да пренасочи фокуса, отрицателната леща е причинила червеното да отклонява. Червено и зелено се смесиха и окото видя жълто. Резултатът е телескопът с ахроматичен рефрактор - тип, предпочитан от много астрономи любители днес за евтина, малка бленда, широко поле, но - в по-къси фокусни съотношения - по-малко от използването на идеално качество на изображението.
Едва в средата на деветнадесети век оптиците успяват да накарат синьо-виолетово да се присъедини към фокуса на червено и зелено. Първоначално това развитие се дължи на използването на екзотични материали (браутит) като елемент в двойните цели на високомощните оптични микроскопи - а не на телескопите. Триелементни телескопни конструкции, използващи стандартни видове стъкло - тройни, решават проблема, както и четиридесет години по-късно (точно преди ХХ век).
Днешните астрономи-аматьори могат да избират от широк асортимент от видове обхвати и производители. Няма един обхват за всички небеса, очи и небесни изследвания. Проблемите с плоскостта на полето (особено с бързите нютонови телескопи) и огромните оптични тръби (свързани с големи рефрактори) са разгледани от нови оптични конфигурации, разработени през 30-те години. Типове инструменти - като SCT (телескоп Schmidt-Cassegrain) и MCT (телескоп Maksutov-Cassegrain) плюс вариантите на Schmidt и Maksutov на Newton-Esque и коси отражатели - сега се произвеждат в САЩ и по целия свят. Всеки тип обхват е разработен за справяне с някаква валидна загриженост или друга, свързана с размер на обхвата, обем, плоскост на полето, качество на изображението, контраст, цена и преносимост.
Междувременно рефракторите заемат централно място сред оптофилите - хора, които искат най-високото възможно качество на изображението, независимо от други ограничения. Напълно апохроматичните (коригирани с цвят) рефрактори осигуряват някои от най-зашеметяващите изображения, достъпни за използване на оптични, фотографски и CCD изображения. Но уви, такива модели са ограничени до по-малки отвори поради значително по-високите разходи за материали (екзотични кристали и стъкло с ниска дисперсия), производство (до шест оптични повърхности трябва да бъдат оформени) и по-големи изисквания за носенето (поради тежки дискове от стъкло ).
Цялото днешно разнообразие в обхвата на типовете започва с откритието, че две лещи с неравна кривина могат да се държат до окото, за да транспортират човешкото възприятие на големи разстояния. Подобно на много големи технологични постижения, съвременният астрономически телескоп се появи от три основни съставки: Необходимост, въображение и нарастващо разбиране за начина на взаимодействие на енергията и материята.
И така, откъде дойде съвременният астрономически телескоп? Със сигурност телескопът премина през дълъг период на постоянно подобрение. Но може би, просто може би, телескопът по същество е дар на самата Вселена, излъчващ дълбоко възхищение чрез човешки очи, сърца и умове ...
-1 Съществуват въпроси за това кой пръв е създал зрелища, коригиращи далекогледство и далновидност. Малко вероятно е Абу Али ал-Хасан Ибн ал Хайтам или Роджър Бейкън някога да е използвал леща по този начин. Объркващ въпроса за произхода е въпросът как всъщност се носят зрелища. Вероятно първата визуална помощ е била просто държана на окото като монокъл - необходимост от поемане оттам. Но дали такъв примитивен метод би бил исторически определен като „произходът на зрелището“?
-2 Способността на определен окуляр да компенсира задължително извито виртуално изображение е ограничена фундаментално от ефективно фокусно съотношение и обхват на архетектурата. По този начин телескопите, чието фокусно разстояние е многократно, блендата им е по-малка от моментална крива в „равнината на изображението“. Междувременно прицелите, които първоначално пречупват светлината (катадиоптика, както и рефракторите) имат предимството на по-доброто управление на светлината извън оста. И двата фактора увеличават радиуса на кривината на проецираното изображение и опростяват задачата на окуляра да представи плоско поле на окото.
За автора:
Вдъхновен от шедьовъра в началото на 1900 г.: „Небето през три, четири и пет инчови телескопи“, Джеф Барбър има старт в астрономията и космическата наука на седем години. В момента Джеф посвещава голяма част от времето си, наблюдавайки небето и поддържайки уебсайта Astro.Geekjoy.
