Chương 3: CÁC DỤNG CỤ QUANG HỌC
3.3.4. Năng suất phân li của kính thiên văn
- Năng suất phân li của kính thiên văn là:
0,61
1 R
r (3.11)
- Trong đó R là bán kính của vật kính, λ là bước sóng. Vậy khi bán kính của vật kính càng lớn bước sóng càng nhỏ thì năng suất phân li càng lớn.
3.3.4.1. Kính Thiên văn Galile.
Chỉ vài tháng sau, năm 1609, nhà bác học vĩ đại Galileo Galilei (1564-1642), từ nước Ý xa xôi, nghe mô tả về chiếc ống Lippersey và đã thử làm một chiếc tương tự.
Với kỹ năng khéo léo, chỉ vài ngày sau ông đã có một chiếc kính Lippershey. Không hài lòng về chiếc kính này, cũng nhƣ giới làm kính thiên văn nghiệp dƣ bây giờ, ông thử làm ống kính dài hơn, lớn hơn, dùng nhiều loại kính khác nhau và cuối cùng, nâng độ phóng đại của kính lên đến khoảng 30 lần.
Ống kính của ông dài khoảng 1,3m tức là vật kính có tiêu cự 130cm và thị kính 4 – 5cm.
Hình 3.10
21
Với tính tò mò của nhà khoa học, ông đã hướng ống kính của mình lên bầu trời đêm và đã vô cùng ngạc nhiên khi nhận ra vô số vết rỗ (lồi lõm) trên Mặt trăng, sao Kim có dạng lƣỡi liềm tựa nhƣ một mặt trăng bé xíu và sao Thổ tựa nhƣ một chiếc tách có 2 quai!
Ông đã phát hiện sao Mộc có 4 vệ tinh bao quanh và Mặt trời cũng có chuyển động tự quay qua nghiên cứu các đốm đen mặt trời.
Những điều này là bằng chứng thuyết phục, củng cố cho Thuyết Nhật tâm của Nicolai Copernics.Trái đất không còn là “cái rốn” của vũ trụ nữa, mà chỉ là một trong những hành tinh quay quanh mặt trời.
Từ đây, chúng ta sẽ sẽ gọi nó là Kính Thiên văn vì trong phạm vi bài viết này chúng ta chỉ quan tâm đến các kính viễn vọng dùng trong mục đích thiên văn.
Bản vẽ Mặt trăng của Galile
Hình ảnh sao Mộc và sao Thổ qua kính Galile có lẽ giống nhƣ vậy. (Ảnh HAAC) Bản vẽ sao Mộc và 4 vệ tinh của Galile (Io, Europa, Ganymede, Calisto)
Bản vẽ sao Mộc và 4 vệ tinh của nó mà Galile quan sát đƣợc Bản vẽ của Galile về Sao Thổ ông quan sát đƣợc
22
Galie miêu tả Sao Thổ nhƣ chiếc tách có quai. Ảnh trên là hình vẽ vào năm 1610.
Ảnh dưới ông vẽ vào năm 1616
Các bạn có thể dễ dàng chế tạo một phiên bản của Kính Gallile bằng các nguyên liệu dễ kiếm: vật kính là kính viễn 0.75 diop, thị kính là kính cận 20 diop, thân ống kính bằng ống nhựa PVC hoặc giấy bìa cứng. Bạn hãy ngắm thử Mặt trăng và so với bản vẽ của G.Gallilei bên cạnh xem sao nhé.
Trước Galile, với mắt thường người ta chỉ có thể thấy được 5 hành tinh và khoảng 2.000 ngôi sao có độ sáng đến cấp 6. Với kính Galile và các cải tiến sau đó, vũ trụ đã mở rộng ra với biết bao điều kỳ thú, với hàng triệu ngôi sao lấp lánh, những tinh vân, thiên hà xa xôi…
3.3.4.2. Cải tiến của Kepler
Johannes Kepler (1571-1630)
Năm 1611, Johannes Kepler (1571-1630), tác giả của 3 định luật nổi tiếng về chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời (nhƣng đó là chuyện sau này), đƣợc G.Gallile nhờ kiểm tra các kết quả quan sát của mình, ông đã bắt đầu quan tâm đến kính thiên văn.
Đôi khi trong cái rủi lại có cái may! J.Kepler mắt kém đã rất khó khăn khi dùng kính Gallile có trường nhìn rất hẹp. Chỉ cần một rung động nhẹ là trăng sao đều
“chạy” mất tiêu.
Vốn là nhà toán học, ông đã nghiên cứu nguyên lý của kính và đề nghị dùng thấu kính hội tụ làm thị kính để mở rộng trường quan sát của kính và thế là Kính Kepler ra đời. Sáng kiến rất đơn giản nhƣng hiệu quả không ngờ.
Hình 3.11
Độ phóng đại của kính Kepler cũng bằng:
f1 (tiêu cự vật kính) / f2 (tiêu cự thị kính)
Tại sao trường nhìn của kính Kepler lại lớn hơn? Lời giải thích rất đơn giản: chùm tia sáng qua thấu kính hội tụ sẽ bị lệch hướng về phía quang trục thay vì ra xa quang trục nhƣ với thấu kính phân kỳ. Bạn hãy so sánh bản vẽ kính Galile ở trên và bản vẽ kính Kepler này.
23
Với cùng độ phóng đại như nhau, mắt người quan sát trên kính Kepler đặt ngay quang trục còn dùng kính Galile phải dời lên trên khá xa quang trục mới nhìn đƣợc phía trên của ảnh, nếu không dời mắt, ta chỉ thấy được một phần dưới của ảnh.
Bạn hãy so sánh 2 tấm ảnh của cùng một ống kính với thị kính phân kỳ (kiểu Gallile) và hội tụ (Kepler) với độ phóng đại như nhau. Trường nhìn với thị kính hội tụ lớn gấp 4 lần kính phân kỳ!
Nếu bạn đã “lỡ” làm một kính Gallile nhƣ chúng tôi đã đề nghị ở trên, hãy thay thị kính bằng kính lúp tiêu cự 5cm, trường nhìn lúc này sẽ lớn hơn gấp nhiều lần, bạn sẽ không phải “dán’ mắt sát vào thị kính và nhất là rất dễ dò tìm mục tiêu quan sát. Chỉ tội cái hình ảnh bị lộn ngƣợc đầu! Nhƣng dùng để quan sát thiên văn thì không thành vấn đề. Cũng khá buồn cười là khuyết điểm này, sau này lại trở thành một đặc điểm để phân biệt kính thiên văn và kính viễn vọng dùng để quan sát mặt đất.
Hình 3.12. Qua kính Galile
Hình 3.13.Kính Kepler có cùng độ phóng đại
Thật ra độ nét của kính Kepler không bằng kính Gallile, quang sai, đặc biệt là sắc sai cũng nhiều hơn nhất là ở độ phóng đại lớn. Bạn có thể thấy chú chim trong hình 2 bị viền màu xanh đỏ và không nét nhƣ hình 1. Hiện tƣợng sắc sai (ảnh bị viền màu) này đến lúc đó vẫn còn là một bí ẩn chƣa ai giải thích đƣợc!
Để giảm bớt quang sai, thời đó, người ta chỉ có cách che bớt vật kính hay dùng vật kính có tiêu cự dài hơn.
Với chiếc kính Kepler vừa lắp, bạn hãy hướng về mặt trăng xem sao. Thị trường rộng hơn, dễ định vị mục tiêu hơn, nhƣng đồng thời hình ảnh bị nhòe đi, viền màu, không còn rõ nét nữa. Bạn hãy cắt vài mảnh bìa tròn, tâm có lỗ đường kính từ 1-3 cm để làm màn chắn, che bớt ánh sáng đi vào vật kính và thử ngắm lại xem. Mặt trăng sẽ tối đi nhƣng rõ nét hơn nhiều do đã loại bỏ các chùm tia sáng xa quang trục bị quang sai lớn.
Loại quang sai này đƣợc gọi là Cầu sai.
R. Descates, cũng là một nhà vật lý mà ta đã nhắc đến ở trên, đã xác định rằng với thấu kính hội tụ có mặt cầu, chùm tia sáng xa quang trục lại hội tụ về một điểm (a) gần hơn so với điểm hội tụ (c) của chùm tia gần quang trục.
Với thấu kính phẳng lồi, để triệt cầu sai, mặt lồi phải là mặt hyperboloit.
24
Chỉ có điều công nghệ chế tạo thấu kính thời đó chƣa làm đƣợc điều này. Mặt cầu là bề mặt "tự nhiên", dễ dàng có được khi mài 2 bề mặt với nhau theo mọi phương ngẫu nhiên với biên độ nhất định nào đó. Còn các bề mặt dạng khác thì rất khó vì không thể
"đo" đƣợc. Các nhà thiên văn thời đó đành phải chấp nhận hy sinh độ sáng để có hình ảnh rõ nét hơn.
Ở đây có một điều khá kỳ lạ. Về mặt trực quan, có lẽ kính Kepler phải xuất hiện trước mới đúng. Ta có thể hình dung thế này: qua vật kính, ta có thể hứng ảnh một vật ở xa lên một tấm màn, ta sẽ dễ nghĩ đến chuyện xem ảnh này to, rõ hơn qua một chiếc kính lúp cầm tay rất thông dụng hơn là dùng kính phân kỳ để xem ảnh ảo của nó.
Có thể giả thiết rằng Kính kiểu Kepler đã thực sự xuất hiện trước nhưng vì hình ảnh lộn ngƣợc của nó hoàn toàn không thích hợp để làm ngắm "địa văn" nên đã không phổ biến và bị quên lãng. J.Kepler chỉ là người "tái phát minh" ra kiểu kính mang tên mình Thiết kế của Kepler, vì ông chỉ thực hiện nó trên giấy, không được hưởng ứng ngay mà mãi đến 29 năm sau. Năm 1630, Christoph Scheiner, một tu sĩ dòng Tên cũng là nhà toán học người Đức áp dụng và phổ biến rộng.