Chương 10
KÍNH THIÊN VĂN PHẢN XẠ BUỔI ĐẦU
Sang thế kỉ 18, các nhà thiên văn chủ yếu sử dụng những chiếc kính thiên văn khúc xạ dài, thiết kế trên cơ sở thấu kính thủy tinh có hình dạng gia công tỉ mỉ. Tuy nhiên, những thiết kế kính thiên văn kiểu khác đã mang lại cách thức tránh được một số khiếm khuyết có thể không thể nào tránh được với thấu kính khúc xạ. Năm 1668, Isaac Newton nghĩ ra kính thiên văn phản xạ. Thay cho thấu kính, nó sử dụng một gương cầu chính, cùng với một gương phẳng nhỏ hơn. Trong thế kỉ sau đó, những thiết bị khổng lồ có nguồn gốc từ thiết kế của Newton hóa ra đặc biệt có ích cho việc nghiên cứu những đối tượng rất mờ nhạt, ví dụ như các mảng sáng lờ mờ gọi là tinh vân. Việc nghiên cứu chế tạo những công cụ mới và lớn hơn đưa đến những thay đổi cơ bản trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Ở bên trái là gương cầu AB, mang ánh sáng từ phía bên phải đến từ một số vật thể ở xa vào tiêu điểm (tiêu cự của gương là khoảng cách tới tiêu điểm). Dọc đường đi, ánh sáng bị chặn lại bởi một gương phẳng nhỏ CD và gửi qua mặt bên đến tiêu điểm, ở đó ảnh của vật ở xa hình thành, nằm tại E. Một thấu kính nhỏ ở F được dùng làm thị kính phóng đại ảnh cho mắt của người quan sát. Sự sắp xếp cơ bản gống như kính thiên văn kiểu Kepler, trừ ở chỗ gương kim loại cong thế chỗ cho vật kính thủy tinh.
Người đã qua trường lớp đều biết rằng bạn có thể thu được sự phóng đại bằng cách sử dụng nhiều kết hợp đa dạng của thấu kính và gương. Một số nhà khoa học chuyên về thiên văn học đã sử dụng gương, bị khích động bởi một nghiên cứu lí thuyết tao nhã về quang học. Một bước ngoặt là Dioptrique của René Descartes, viết nối tiếp cuốn Bàn về phương pháp năm 1637 của ông. Ở đây, Descartes đã bàn về vấn đề cầu sai – sự hơi lu mờ của ảnh tạo bởi thấu kính hay gương cong như một phần của hình cầu.
Một nhà toán học người Scotland, James Gregory, đã đề xuất một thiết kế mới cho kính thiên văn phản xạ trong tác phẩm Optica Promota của ông vào năm 1663. Thiết kế lí thuyết của Gregory sử dụng một gương chính có độ cong parabol. Nó sẽ phản xạ ánh sáng tới một gương thứ hai hình elip, gương này sẽ phản xạ ngược trở lại qua khe ban đầu đi tới mắt của nhà thiên văn. Mẫu Gregory, cùng với mẫu Cassgrain tương tự (đặt theo tên một người Pháp ít người biết tới hồi thế kỉ 18) cuối cùng trở thành thiết kế nổi bật dành cho kính thiên văn phản xạ. Nhưng lúc những thiết kế này được đề xuất, các nhà quang học không thể nào đánh bóng gương theo đường cong không phải hình cầu. Một số quang học ở London đã thử chế tạo kính thiên văn phản xạ, nhưng thất bại.
James Gregory
Phát triển quan trọng nhất ra đời khi Isaac Newton, sau nghiên cứu mang tính đột phá nền tảng của ông về ánh sáng và quang học, kết luận rằng kính thiên văn khúc xạ luôn luôn có nhược điểm. Bất kì thấu kính nào, giống như lăng kính, cũng sẽ làm phân tán màu sắc ánh sáng, tỉ lệ trực tiếp với sự khúc xạ. Kết quả là sự sắc sai - ảnh của một ngôi sao màu trắng luôn lốm đốm màu. Cho nên Newton chuyển sự chú ý sang mẫu kính thiên văn thực dụng sử dụng gương để thu nhận ánh sáng sao.
“Do nhìn thấy việc cải tiến kính thiên văn có chiều dài cho trước là không có hi vọng, nên trước đây tôi đã tính toán một phối hợp bằng các gương phản xạ, thay vật kính thủy tinh bằng một gương kim loại lõm”.
Newton, Opticks, 1704
Newton trình bày thiết kế của ông trước Hội Hoàng gia Anh vào tháng 1 năm 1672, và đã gây được sự chú ý lớn. Ông đã thành công trong việc chế tạo một cái gương có độ cong cầu, đường kính nhỏ hơn 1 ½ inch một chút. Chiếc gương này chế tạo từ hợp kim đồng-thiếc, Newton đã thêm vào nó vào ít arsen để cho nó dễ mài hơn. Nó có độ phóng đại khoảng 40. Phía trên chiếc gương sơ cấp này, Newton đặt một gương thứ cấp phẳng, nhỏ, nghiêng góc 45o, làm phản xạ lên thị kính gắn trên mặt của ống kính.
Kính thiên văn phản xạ của Newton
Mặc dù kính thiên văn của Newton đã khuấy động sự hứng thú, nhưng nó vẫn là một vật hiếm. Những người khác đã cố gắng nhưng thất bại trong việc mài gương có độ cong đều. Ngoài vấn đề đó, gương kim loại còn bị giảm độ bóng và phải mài lại mỗi vài tháng một lần, việc đó có thể ảnh hưởng tới độ cong. Và mặc dù Newton bị thuyết phục rằng mẫu thiết kế của ông tốt hơn so với kính thiên văn khúc xạ, nhưng kích thước nhỏ của thiết bị của ông đã che giấu các nhược điểm gây ra bởi độ cong cầu của nó. Các thử nghiệm khác đã được thực hiện với kính thiên văn phản xạ, nhưng ít thu được tiến bộ mãi cho đến thế kỉ thứ 18.
Cải tiến kính thiên văn phản xạ buổi đầu
John Hadley sinh ra ở gần London. Ông biểu hiện tài trí sáng chế từ khi còn nhỏ, và trở thành hội viên của Hội Hoàng gia vào năm 35 tuổi, năm 1717. Khoảng thời gian này, với sự giúp đỡ của hai người anh em của ông, ông bắt đầu thí nghiệm với việc nghiền và mài kim loại. Ông sử dụng speculum, hỗn hợp đồng thiếc và bạc dùng làm gương có từ thời cổ đại. Năm 1721, ông đã thành công trong việc chế tạo một chiếc kính thiên văn kiểu Newton đường kính 6 inch, với tiêu cự 62 inch.
John Hadley
Hadley đã làm chủ được việc mài chiếc gương kim loại của ông sao cho nó có hình dạng gần như parabol, tránh được sự méo hình xảy ra với các kính thiên văn trước đây có độ cong cầu. Giống như Newton, ban đầu Hadley trình bày kính thiên của ông tại một cuộc họp của Hội Hoàng gia. Biên bản cuộc họp ghi rằng nó đủ sức mạnh để “phóng đại một vật gần 200 lần”.
Kính thiên văn phản xạ của Hadley, năm 1721
Cũng quan trọng không kém gương dùng cho kính thiên văn là cách gắn nó. Kính thiên văn phải lần theo vết tích của các vật băng qua bầu trời khi Trái Đất đang quay. Để thu được điều này, Hadley đã phát triển cái ngày nay gọi là khung gọng phương vị-cao độ. Trục cao độ nằm song song với đường chân trời, và trục phương vị thì hướng vuông góc. Với một gọng vòm phương vị-cao độ, nhà thiên văn phải di chuyển kính thiên văn dọc theo hai trục đồng thời để giữ vật trong tầm nhìn, nhưng việc này được bù lại bởi kích thước tương đối nhỏ của nó.
Kính thiên văn của Hadley được hai nhà thiên văn người Anh kiểm tra vào năm 1722 bằng việc quan sát Thổ tinh. Họ nhìn thấy bốn vệ tinh của hành tinh đó (vệ tinh lớn nhất đang chuyển động qua mặt phía trước của hành tinh), và các ranh giới trong vành của Thổ tinh. Mặc dù họ thấy ảnh của nó không sáng như ảnh thu được trong kính thiên văn trên không 123 foot của Huygens, nhưng mẫu thiết kế của Hadley dễ sử dụng hơn nhiều.
Trước khi ông qua đời vào năm 1744, Hadley đã thí nghiệm với các cách khác nhau mài gương cho kính thiên văn. Không kém phần quan trọng là ông đã nghiên cứu cách kiểm tra kết quả, vì bạn không thể mài một cái gương cong tốt hơn việc bạn đo đạc nó.
Nguồn: AIP
Còn tiếp...
