Bài giảng Kính thiên văn - Vũ Trọng Thư

Nội dung text: Bài giảng Kính thiên văn - Vũ Trọng Thư

1. Kính thiên văn Tác giả: Vũ Trọng Thư 28/08/2007 Kính thiên văn là một trong những thiết bị được cho là đã tạo nên cuộc cách mạng khoa học trong thế kỷ 17. Nó đã làm sáng tỏ nhiều hiện tượng của bầu trời và có ảnh hưởng quyết định đến cuộc tranh cãi giữa những người theo trường phái địa tâm truyền thống và những người theo trường phái nhật tâm do Côpécníc khởi xướng. Lần đầu tiên con người đã có một dụng cụ để mở rộng giác quan của mình với thế giới bên ngoài, điều này kể từ đó đã chuyển dần việc quan sát tự nhiên từ con người sang cho các thiết bị, máy móc. Nói đơn giản, kính thiên văn chính là hình mẫu đầu tiên của các thiết bị khoa học hiện đại ngày nay. Tuy nhiên kính thiên văn lại không phải là phát minh của các nhà khoa học mà thực ra nó là sản phẩm của các nghệ nhân lành nghề (craftsmen). Vì lí do đó, ngày nay chúng ta không được biết nhiều về nguồn gốc chính xác của kính thiên văn do craftsmen thường được truyền miệng và về mặt lịch sử nó không được thể hiện một cách rõ rệt. Các tài liệu lịch sử để lại cho thấy các thấu kính đã xuất hiện ở châu Âu vào cuối thế kỉ 13, phương pháp nấu thủy tinh đã dần đạt được chất lượng cao và chi phí thấp, đặc biệt các kỹ thuật mài và tráng thủy tinh đã đạt được trình độ cao ở vùng Venice và Florence. Các thợ thủ công ở Venice đã làm được các miếng kính nhỏ, lồi hoặc lõm dùng cho những người bị cận thị hoặc viễn thị đeo vào để lấy lại được thị lực của mình. Các thấu kính hội tụ và phân kì đã xuất hiện từ đây, trên thực tế các thành phần chính để làm 1 chiếc kính thiên văn đã có đủ vào khoảng năm 1450. Nếu vậy thì tại sao kính thiên văn đã không được phát minh vào thế kỉ 15? Cũng không có 1 câu trả lời xác đáng cho câu hỏi này, có lẽ do các thấu kính với sức mạnh (tiêu cự) phù hợp chưa xuất hiện lúc này. Cuối cùng thì kính thiên văn đã xuất hiện đầu tiên tại Hà Lan vào năm 1608 do người thợ sửa đồng hồ Hans Lipperhey tìm ra và đăng ký bằng sáng chế. Thiết bị vô cùng đơn giản này bao gồm 1 thấu kính hội tụ và 1 thấu kính phân kì đặt ở trong 1 cái ống và có thể phóng đại hình ảnh 3 đến 4 lần. Tin tức về phát minh mới này đã nhanh chóng lan rộng ra khắp châu Âu và thiết bị này cũng nhanh chóng xuất hiện ở nhiều nơi. Vào tháng 4 năm 1609 các ống nhòm phóng đại 3 lần có thể mua được ở các xưởng làm kính tại Paris và chỉ 4 tháng sau là ở Ý. Chúng ta đã biết rằng Thomas Harriot đã quan sát Mặt Trăng qua ống nhòm phóng đại 6 lần vào tháng 8 năm 1609. Nhưng phải đợi đến Galile thì ông mới là người làm cho kính thiên văn trở nên nổi tiếng. Ông đã tự làm được thiết bị phóng đại 3 lần vào tháng 6 hoặc tháng 7 năm
2. 1609, tặng hội đồng thành phốVenice thiết bị phóng đại 8 lần vào tháng 8 và vào tháng 10, ông đã hướng chiếc kính thiên văn phóng đại 20 lần lên quan sát bầu trời. Với chiếc kính thiên văn này ông đã quan sát Mặt Trăng, khám phá 4 vệ tinh của sao Mộc và thấy được các đám tinh vân chính là do nhiều ngôi sao gần nhau tạo thành. Ông đã xuất bản cuốn Sidereus Nuncius vào tháng 3 năm 1610. Những khám phá sau đó bao gồm các pha của sao Kim, vết đen trên Mặt Trời đã dần dần được Galile và các nhà quan sát khác tìm ra. Hình minh họa cổ nhất của một kính thiên văn (tháng 8/1609) Galile giới thiệu kính thiên văn với các quan chức thành phố Venice Chiếc kính thiên văn kiểu mà Galile đã dùng để quan sát các vệ tinh của sao Mộc thường được chế tạo như sau: nó bao gồm một vật kính phẳng-lồi với tiêu cự khoảng 75cm đến 100cm và một thị kính phẳng-lõm với tiêu cự khoảng 5cm. Thị kính được đặt trong một ống nhỏ có thể di chuyển được để điều chỉnh cho hình ảnh rõ nét. Vật kính thường được che bằng bìa chỉ để hở 1 lỗ nhỏ ở chính giữa có đường kính 1cm đến 2.5cm, trường nhìn của kính chỉ được có 15 phút. Độ phóng đại của kính khoảng 15-20 lần. Chất lượng của thủy tinh và kỹ thuật mài còn kém. Vài thập kỉ sau đó, mặc dù đã có những cải tiến về kỹ thuật nấu thủy tinh cũng như kĩ thuật mài đã cho ra đời những kính thiên văn kiểu Galie với độ phóng đại lớn hơn. Tuy nhiên hầu hết chúng đều rất khó sử dụng vì trường nhìn càng bị thu hẹp hơn
3. Để có thể hình dung dễ dàng hơn về trường nhìn (field of view) của kính thiên văn, bạn hãy quan sát Kính thiên văn của Galile hình bên. Đó là hình ảnh của chòm sao Pleaides (chòm Thất tinh) nổi tiếng khi quan sát qua kính có thị trường 3 độ và 1 độ. Bạn có thể tự tưởng tượng ra nếu một kính thiên văn chỉ có thị trường vài chục phút (1 độ = 60 phút) thì khi quan sát sẽ khó khăn đến mức nào. So sánh trường nhìn của kính thiên văn Ta cần biết rằng Galile đã sử dụng thấu kính hội tụ để làm vật kính còn thấu kính phân kỳ làm thị kính nên hình ảnh nhìn qua kính không bị đảo ngược, tuy nhiên hiệu ứng phóng đại hình ảnh cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng 2 thấu kính cùng là hội tụ. Các nghiên cứu về sau còn cho thấy rằng nếu ghép thêm 1 thấu kính hội tụ nữa vào trước thị kính của kính thiên văn loại này thì sẽ làm tăng trường nhìn của kính thiên văn lên rất nhiều so với kính của Galile. Thấu kính này ngày nay được gọi là kính thị trường (field lens). Với các hiểu biết về quang học ngày một nhiều hơn, giới hạn về độ phóng đại do trường nhìn nhỏ của loại kính thiên văn Galile đã dần dần bị vượt qua, và cuộc "chạy đua" chế tạo kính thiên văn đã xuất hiện. Người ta mong muốn chế tạo các kính thiên văn có số phóng đại lớn hơn và cũng để giảm bớt ảnh hưởng của quang sai nên tiêu cự của vật kính thiên văn ngày một dài hơn. Bắt đầu từ những năm 1640, kính thiên văn thường chỉ dài 1.5m đến 2m nhưng đến giữa thế kỉ nó đã là 4.5m đến 6m. Năm 1656, Christian Huyghens chế tạo kính thiên văn dài 7m, đường kính kính vật vài inch (khoảng 10cm), phóng đại 100 lần và có trường nhìn 17 phút.
4. Kính thiên văn khổng lồ của William Herschel Cuộc chạy đua đã đến giới hạn khi muốn tăng thêm độ phóng đại sẽ làm cho trường nhìn giảm xuống đến mức quá nhỏ để quan sát, tuy nhiên nhờ có nghiên cứu về kính thị trường (đã nói ở trên) nên cuộc đua lại được tiếp tục và độ dài của kính thiên văn tăng lên một cách nhanh chóng. Vào đầu những năm 1670, Johannes Hevelius đã xây dựng 1 kính thiên văn dài hơn 40m. Nếu như vấn đề về trường nhìn của kính đã được giải quyết thì một vấn đề mới lại xuất hiện đối với các kính thiên văn khổng lồ này, đó là thân ống kính khi đó sẽ quá nặng để có thể di chuyển quan sát dễ dàng. Một loạt các hệ thống cáp, dây đỡ rất phức tạp mới giữ nổi các kính thiên văn này. Do vậy vào khoảng năm 1675 các nhà thiên văn học đã loại bỏ phần thân ống kính thiên văn, vật kính khi đó được gắn vào các cột cao và được điều khiển qua các dây treo và chỗ nối. Hình ảnh được tạo ra bằng phương pháp thử và sai (tức là liên tục thay đổi vị trí thị kính cho đến khi được hỉnh ảnh rõ nét). Những thiết bị như vậy được gọi là "kính thiên văn không khí" (aerial telescopes).
5. Kính thiên văn dài 140 feet (khoảng 40m) của J.Hevelius, 1673 Mặc dù đã có 1 số cải tiến nhưng cuối cùng thì các kính thiên văn khúc xạ này cũng đạt đến giới hạn của nó. Người ta không thể chế tạo được các vật kính có đường kính to hơn 2m với công nghệ lúc đó, và bắt đầu từ những năm 1730, những chiếc kính thiên văn to hơn chỉ có thể đến từ một loại kính thiên văn mới - kính thiên văn phản xạ. Kính thiên văn phản xạ đầu tiên do Newton chế tạo Phần này vẫn đang được cập nhật tiếp
6. Dùng kính thiên văn tự chế để quan sát bầu trời Galile - Nhà vật lý, thiên văn vĩ đại người Ý (15xx-16xx) Hiện tượng sắc sai (chromatic aberration) của thấu kính đơn và cách khắc phục bằng
7. thấu kính tiêu sắc (achromatic lens) Kính thiên văn khúc xạ Kính thiên văn phản xạ
8. Kính thiên văn tổng hợp (kết hợp của kính khúc xạ và phản xạ)