Jos ajattelee sitä, oli vain ajan kysymys, ennen kuin ensimmäinen kaukoputki keksittiin. Ihmiset ovat kiehtoneet kristallit vuosituhansien ajan. Monet kiteet – esimerkiksi kvartsi – ovat täysin läpinäkyviä. Toiset – rubiinit – imevät joitain valon taajuuksia ja ohittavat toiset. Kiteiden muotoileminen palloiksi voidaan tehdä halkaisemalla, pyörittämällä ja kiillottamalla – tämä poistaa terävät reunat ja pyöristää pintaa. Kiteen leikkaaminen alkaa vian löytämisellä. Puolipallon eli kristallisegmentin luominen luo kaksi erilaista pintaa. Kupera etupinta kerää valoa ja heijastaa tasomaisen takapinnan lähentymispistettä. Koska kidesegmenteillä on voimakkaat käyrät, tarkennuspiste voi olla hyvin lähellä itse kristallia. Lyhyiden polttovälien ansiosta kidesegmentit tekevät mikroskoopeista parempia kuin kaukoputket.
Se ei ollut kristallisegmentti – vaan lasilinssi – mikä mahdollisti nykyaikaiset teleskoopit. Kuperat linssit tulivat lasihiottuna korjaamaan kaukonäköä. Vaikka sekä silmälasit että kristallisegmentit ovat kuperia, kaukonäkölinsseissä on vähemmän jyrkkiä käyriä. Valon säteet ovat vain hieman taipuneet yhdensuuntaisuudesta. Tästä johtuen paikka, jossa kuva muodostuu, on paljon kauempana linssistä. Tämä luo kuvan mittakaavan, joka on riittävän suuri yksityiskohtaista ihmisen tarkastamista varten.
Linssien ensimmäinen käyttö näön parantamiseksi voidaan jäljittää 1000-luvun Lähi-itään. Arabialainen teksti (Opticae Thesaurus, jonka on kirjoittanut tiede-matemaatiko Al-hazen) huomauttaa, että kristallipallojen segmenttejä voidaan käyttää pienten esineiden suurentamiseen. 1200-luvun lopulla englantilaisen munkin (mahdollisesti viitaten Roger Baconin Perspectivaan vuodelta 1267) sanotaan luoneen ensimmäiset käytännölliset lähelle keskittyvät silmälasit auttamaan Raamatun lukemista. Vasta vuonna 1440 Nikolai Cusalainen hioi ensimmäisen linssin likinäköisyyden korjaamiseksi -1. Ja kuluisi vielä neljä vuosisataa, ennen kuin itse linssin muodon vikoja (astigmatismia) auttaisi silmälasisarja. (Tämän sai aikaan brittiläinen tähtitieteilijä George Airy vuonna 1827 noin 220 vuotta sen jälkeen, kun toinen – kuuluisempi tähtitieteilijä – Johann Kepler kuvaili ensin tarkasti linssien vaikutusta valoon.)
Varhaisimmat teleskoopit syntyivät heti sen jälkeen, kun silmälasien hionta vakiintui keinona korjata sekä likinäköisyys että ikänäköisyys. Koska kaukonäkölinssit ovat kuperia, ne ovat hyviä valon 'keräilijöitä'. Kupera linssi ottaa yhdensuuntaiset säteet etäisyydeltä ja taivuttaa ne yhteiseen tarkennuspisteeseen. Tämä luo avaruuteen virtuaalisen kuvan – sellaisen, jota voidaan tarkastella tarkemmin toisella linssillä. Keräävän linssin hyve on kaksiosainen: se yhdistää valon yhteen (lisää sen intensiteettiä) – ja vahvistaa kuvan skaalaa – molempia siinä määrin, että potentiaalisesti paljon enemmän kuin silmä yksin pystyy.
Koverat linssit (käytetään likinäköisyyden korjaamiseen) levittävät valoa ulospäin ja saavat asiat näyttämään pienemmiltä silmälle. Kovera linssi voi lisätä silmän polttoväliä aina, kun silmän oma järjestelmä (kiinteä sarveiskalvo ja muotoutuva linssi) ei pysty tarkentamaan kuvaa verkkokalvolle. Koverat linssit ovat hyviä okulaareja, koska niiden avulla silmä voi tarkastaa tarkemmin kuperan linssin luomaa virtuaalista kuvaa. Tämä on mahdollista, koska kovera linssi taittaa keräävän linssin suppenevat säteet rinnakkaissuuntaa kohti. Vaikutus on näyttää lähellä oleva virtuaalikuva ikään kuin se olisi kaukana. Yksi kovera linssi antaa silmän linssin rentoutua ikään kuin se olisi keskittynyt äärettömyyteen.
Kuperoiden ja koveroiden linssien yhdistäminen oli vain ajan kysymys. Voimme kuvitella ensimmäisen kerran, kun lapset leikkivät linssihiomakoneen päivän työllä – tai mahdollisesti kun optikko tunsi kutsun tarkastaa yksi linssi toisella. Sellaisen kokemuksen on täytynyt tuntua melkein taianomaiselta: Kaukainen torni häämöttää heti ikään kuin sitä lähestyisi pitkän kävelyn päätteeksi; tunnistamattomien hahmojen nähdään yhtäkkiä olevan läheisiä ystäviä; luonnolliset rajat – kuten kanavat tai joet – hyppäävät yli ikään kuin Merkuriuksen omat siivet olisivat kiinnittyneet parantaviin…
Teleskoopin valmistuttua ilmaantui kaksi uutta optista ongelmaa. Valoa keräävät linssit luovat kaarevia virtuaalikuvia. Tämä käyrä on hieman 'kulhon muotoinen' pohja käännettynä kohti tarkkailijaa. Tämä on tietysti juuri päinvastoin kuin silmä itse näkee maailman. Sillä silmä näkee asiat ikään kuin ne olisi järjestetty suurelle pallolle, jonka keskus on verkkokalvolla. Joten jotain oli tehtävä kehäsäteiden vetämiseksi takaisin silmää kohti. Tähtitieteilijä Christiaan Huygens ratkaisi tämän ongelman osittain 1650-luvulla. Hän teki tämän yhdistämällä useita linssejä yksiköksi. Kahden linssin käyttö toi enemmän reunasäteitä keräävästä linssistä kohti rinnakkaissuuntaa. Huygenin uusi okulaari tasoitti kuvaa tehokkaasti ja mahdollisti silmän tarkennuksen laajemmassa näkökentässä. Mutta tämä kenttä aiheuttaisi silti klaustrofobiaa useimmissa tämän päivän tarkkailijoissa!
Viimeinen ongelma oli vaikeampi - taittavat linssit taivuttavat valoa aallonpituuden tai taajuuden perusteella. Mitä suurempi taajuus, sitä enemmän tietty valon väri taipuu. Tästä syystä eriväristä valoa (polykromaattista valoa) näyttäviä esineitä ei nähdä samassa tarkennuspisteessä sähkömagneettisen spektrin poikki. Pohjimmiltaan linssit toimivat prismien kaltaisilla tavoilla – luovat värien leviämisen, joista jokaisella on oma ainutlaatuinen polttopisteensä.
Galileon ensimmäinen kaukoputki ratkaisi vain ongelman saada silmä tarpeeksi lähelle virtuaalisen kuvan suurentamiseksi. Hänen instrumenttinsa koostui kahdesta linssistä, jotka erotettiin hallitulla etäisyydellä tarkennusta varten. Objektiivilla oli vähemmän ankara käyrä valon keräämiseksi ja sen tuomiseksi useisiin tarkennuspisteisiin väritaajuudesta riippuen. Pienempi linssi – jolla oli jyrkempi käyrä ja lyhyempi polttoväli – mahdollisti Galileon tarkkailevan silmän päästä tarpeeksi lähelle kuvaa nähdäkseen suurennettuja yksityiskohtia.
Mutta Galileon tähtäin pystyttiin tarkentamaan vain okulaarin näkökentän keskelle. Ja tarkennus voitiin asettaa vain sen hallitsevan värin perusteella, jonka Galileo katseli sillä hetkellä. Galileo tarkkaili yleensä valoisia tutkimuksia – kuten Kuuta, Venusta ja Jupiteria – käyttämällä aukon pysäytintä ja oli ylpeä keksiessään idean!
Christiaan Huygens loi ensimmäisen – huygenilaisen – okulaarin Galileon ajan jälkeen. Tämä okulaari koostuu kahdesta tasokuperasta linssistä, jotka ovat keräilylinssiä päin – ei yhtä koveraa linssiä. Kahden linssin polttotaso on objektiivin ja silmälinssielementtien välissä. Kahden linssin käyttö tasoitti kuvan käyrää – mutta vain noin pistemäärän yli näkyvän näkökentän. Huygenin ajoista lähtien okulaareista on tullut paljon kehittyneempiä. Alkaen tästä alkuperäisestä moninaisuuden konseptista, nykypäivän okulaarit voivat lisätä toiset noin puoli tusinaa optista elementtiä, jotka on järjestetty uudelleen sekä muotoon että paikkaan. Amatööritähtitieteilijät voivat nyt ostaa hyllyltä okulaarit, jotka tarjoavat kohtuullisen tasaiset kentät, joiden näennäinen halkaisija on yli 80 astetta.
Kolmas ongelma – kromaattisesti sävytettyjen monivärikuvien ongelma – ratkesi teleskooppitekniikassa vasta toimivan heijastinteleskoopin suunnittelussa ja rakentamisessa Sir Isaac Newtonin toimesta 1670-luvulla. Tuo teleskooppi poisti keräilylinssin kokonaan – vaikka se vaati silti tulenkestävän okulaarin käyttöä (joka vaikuttaa paljon vähemmän 'väärin väreihin' kuin objektiivi).
Sillä välin varhaiset yritykset korjata refraktori oli yksinkertaisesti pidentää niitä. Suunniteltiin 140 jalkaa pitkiä kiikaripintoja. Yhdelläkään ei ollut erityisen suuret linssin halkaisijat. Tällaiset piikkidynasaurust vaativat todella seikkailunhaluista tarkkailijaa käyttääkseen - mutta ne 'vähensivät' väriongelmaa.
Huolimatta värivirheiden poistamisesta, myös varhaisissa heijastimissa oli ongelmia. Newtonin tähtäimessä käytettiin pallomaisesti hiottua tähystyspeiliä. Verrattuna nykyaikaisten heijastinpeilien alumiinipinnoitteeseen, tähystin on heikko suorituskyky. Noin kolme neljäsosaa alumiinin valonkeräyskyvystä, tähystin menettää noin yhden magnitudin valon otettaessa. Siten Newtonin suunnittelema kuuden tuuman instrumentti käyttäytyi enemmän kuin nykyaikainen 4 tuuman malli. Mutta tämä ei tehnyt Newtonin instrumentista vaikeaa myydä, se tarjosi yksinkertaisesti erittäin huonon kuvanlaadun. Ja tämä johtui tuon pallomaisesti hiotun ensisijaisen peilin käytöstä.
Newtonin peili ei tuonut kaikkia valonsäteitä yhteiseen kohdistukseen. Vika ei ollut tähystimessä – se oli peilin muodossa, joka 360 astetta venytettynä tekisi täydellisen ympyrän. Tällainen peili ei pysty tuomaan keskivalonsäteitä samaan tarkennuspisteeseen kuin lähempänä reunaa olevat. Vasta vuonna 1740 skotlantilainen John Short korjasi tämän ongelman (akselin valon osalta) paraboloimalla peilin. Short saavutti tämän hyvin käytännöllisellä tavalla: Koska yhdensuuntaiset säteet, jotka ovat lähempänä pallomaisen peilin keskustaa, ylittävät marginaaliset säteet, miksi ei vain syventää keskustaa ja hillitä niitä?
Vasta 1850-luvulla hopea korvasi tähystimen valituna peilipinnana. Tietysti kaikissa John Shortin valmistamissa yli 1000 parabolisessa heijastimessa oli peilipeilit. Ja hopea, kuten tähystin, menettää heijastuskykynsä melko nopeasti ajan myötä hapettuessaan. Vuoteen 1930 mennessä ensimmäiset ammattiteleskoopit päällystettiin kestävämmällä ja heijastavalla alumiinilla. Tästä parannuksesta huolimatta pienet heijastimet tuovat vähemmän valoa tarkentamiseen kuin vastaavan aukon omaavat refraktorit.
Samaan aikaan myös refraktorit kehittyivät. John Shortin aikana optikot keksivät jotain, mitä Newton ei ollut – kuinka saada punainen ja vihreä valo sulautumaan yhteiseen tarkennuspisteeseen taittumalla. Tämän saavutti ensimmäisenä Chester Moor Hall vuonna 1725, ja John Dolland löysi sen uudelleen neljännesvuosisataa myöhemmin. Hall ja Dolland yhdistivät kaksi eri linssiä – toisen kuperan ja toisen koveran. Jokainen koostui erilaisesta lasityypistä (kruunu ja piikivi), jotka taittivat valoa eri tavalla (taitekertoimien perusteella). Kruunun lasin kupera linssi suoritti välittömän tehtävän kerätä kaikkien värien valoa. Tämä taivutti fotoneja sisäänpäin. Negatiivinen linssi levitti lähentyvän säteen hieman ulospäin. Kun positiivinen linssi sai punaisen valon ylittämään tarkennuksen, negatiivinen linssi aiheutti punaisen aliarvon. Punainen ja vihreä sekoittuivat ja silmä näki keltaisen. Tuloksena syntyi akromaattinen refraktoriteleskooppi – tyyppi, jota monet amatööritähtitieteilijät suosivat nykyään halvalla, pienellä aukolla ja laajalla kentällä, mutta – lyhyemmällä polttosuhteella – huonompaan kuvanlaatuun.
Vasta 1800-luvun puolivälissä optikot onnistuivat saamaan sinivioletin yhdistämään punaisen ja vihreän. Tämä kehitys johtui alun perin eksoottisten materiaalien (flouriitti) käytöstä suuritehoisten optisten mikroskooppien - ei kaukoputkien - kaksoisobjektiivien elementtinä. Kolme elementtiteleskooppirakennetta, joissa käytettiin vakiolasityyppejä – triplettejä – ratkaisi ongelman myös noin neljäkymmentä vuotta myöhemmin (juuri ennen 1900-lukua).
Nykypäivän amatööritähtitieteilijät voivat valita laajasta valikoimasta kiikarityyppejä ja valmistajia. Kaikille taivaille, silmille ja taivaallisille tutkimuksille ei ole yhtä ulottuvuutta. Kentän tasaisuusongelmia (etenkin nopeissa Newtonin teleskooppeissa) ja painavia optisia putkia (liittyvät suuriin refraktoriin) on käsitelty uusilla 1930-luvulla kehitetyillä optisilla konfiguraatioilla. Instrumenttityyppejä – kuten SCT (Schmidt-Cassegrain-teleskooppi) ja MCT (Maksutov-Cassegrain-teleskooppi) sekä newtonin tyylisiä Schmidt- ja Maksutov-variantteja ja vinoja heijastimia – valmistetaan nyt Yhdysvalloissa ja kaikkialla maailmassa. Jokainen kiikarityyppi on kehitetty vastaamaan johonkin pätevään ongelmaan, joka liittyy kaukoputken kokoon, bulkkiin, kentän tasaisuuteen, kuvan laatuun, kontrastiin, kustannuksiin ja siirrettävyyteen.
Sillä välin refraktorit ovat nousseet keskipisteeseen optofiilien keskuudessa – ihmiset, jotka haluavat parhaan mahdollisen kuvanlaadun muista rajoituksista riippumatta. Täysin apokromaattiset (värikorjatut) refraktorit tarjoavat upeimmat kuvat optiseen, valokuvaukseen ja CCD-kuvaukseen. Mutta valitettavasti tällaiset mallit rajoittuvat pienempiin aukkoihin johtuen huomattavasti korkeammista materiaalikustannuksista (eksoottiset mataladispersioiset kiteet ja lasi), valmistus (jopa kuusi optista pintaa on muotoiltava) ja suuremmat kantovaatimukset (raskaiden lasilevyjen vuoksi). ).
Kaikki nykypäivän monimuotoisuus kiikarityypeissä sai alkunsa havainnosta, että kahta eri kaarevuutta omaavaa linssiä voidaan pitää silmää vasten kuljettamaan ihmisen havaintoja pitkien etäisyyksien päähän. Kuten monet suuret tekniset edistysaskeleet, moderni tähtitieteellinen teleskooppi muodostui kolmesta perusaineesta: välttämättömyys, mielikuvitus ja kasvava ymmärrys energian ja aineen vuorovaikutuksesta.
Mistä nykyaikainen tähtitieteellinen kaukoputki sitten tuli? Varmasti kaukoputki kävi läpi pitkän jatkuvan parannusjakson. Mutta ehkä, ehkä vain, kaukoputki on pohjimmiltaan lahja universumista, joka riemuitsee syvästä ihailusta ihmissilmien, sydämen ja mielen kautta…
-1 On olemassa kysymyksiä siitä, kuka loi ensimmäisenä silmälasit, jotka korjaavat kauko- ja lähinäköä. On epätodennäköistä, että Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham tai Roger Bacon olisi koskaan käyttänyt objektiivia tällä tavalla. Alkuperäkysymys hämmentää on kysymys siitä, kuinka silmälaseja todellisuudessa käytettiin. On todennäköistä, että ensiapua pidettiin yksinkertaisesti silmässä monokkelina – välttämättömyys valtasi sieltä. Mutta olisiko tällainen primitiivinen menetelmä historiallisesti kerrottu 'spektaakkelin alkuperäksi'?
-2 Tietyn okulaarin kykyä kompensoida välttämättä kaarevaa virtuaalikuvaa rajoittavat olennaisesti tehokas polttosuhde ja skooppiarkkitehtuuri. Siten teleskoopit, joiden polttoväli on monta kertaa niiden aukko, esittävät vähemmän hetkellistä käyrää 'kuvatasolla'. Sitä vastoin valoa alun perin taitavilla kiikaritähtäimillä (katadioptiikalla ja refraktorilla) on se etu, että ne käsittelevät paremmin akselin ulkopuolista valoa. Molemmat tekijät lisäävät projisoidun kuvan kaarevuussädettä ja yksinkertaistavat okulaarin tehtävää esittää tasainen kenttä silmälle.
Kirjailijasta:
1900-luvun alun mestariteoksesta 'The Sky Through Three, Four and Five Inch Telescopes' inspiroima Jeff Barbour aloitti tähtitieteen ja avaruustieteen parissa seitsemänvuotiaana. Tällä hetkellä Jeff omistaa suuren osan ajastaan taivaiden tarkkailuun ja Astro.Geekjoy-sivuston ylläpitämiseen.
