“Bằng việc đưa óc phán đoán của chúng ta ra khỏi thế giới của trí tưởng tượng của các bậc tiền bối của chúng ta, thì những dụng cụ tuyệt vời này, những chiếc kính thiên văn, đã mở ra con đường tìm hiểu sâu sắc hơn và hoàn thiện hơn về thế giới tự nhiên”.
René Descartes, 1637
Vào đầu thế kỉ 17, những người thợ thủ công và các nhà khoa học đã đưa ra một dụng cụ mới dùng cho nghiên cứu bầu trời. Kính thiên văn, một trong những công cụ trọng tâm của Cuộc Cách mạng Khoa học, sớm trở thành công cụ thiết yếu nhất của các nhà thiên văn học. Bây giờ thì các nhà thiên văn có thể nhìn thấy vô số ngôi sao và những vật thể mờ nhạt khác chưa bao giờ nhìn thấy trước đấy. Bất ngờ vũ trụ không còn bị hạn chế với những thứ mà mắt trần có thể nhìn thấy. Khi kính thiên văn được cải tiến, các nhà thiên văn tiếp tục đẩy xa hơn nữa ranh giới của vũ trụ đã biết, nhòm ngó sâu xa hơn bao giờ hết vào biển sao xung quanh gọi tên là Dải Ngân hà.
Phát minh ra kính thiên văn
Việc chế tạo và tính chất của các thấu kính đã được biết tới từ thời của những người Hi Lạp. Các vị học giả đạo Hồi, ví dụ như bác sĩ người Ai Cập Alhazen (sinh vào thế kỉ thứ 10), đã có những đóng góp quan trọng cho nghiên cứu quang học. Tuy nhiên, thấu kính không được du nhập vào châu Âu mãi cho đến khoảng thế kỉ 13. Vào năm 1300, những chiếc kính đeo mắt đầu tiên đã được bày bán tại các đô thị như Venice và Florence, và những tiến bộ trong việc chế tạo và tránh thấu kính sớm xuất hiện sau đó. Công cụ dùng cho chế tạo kính thiên văn, do đó, đã có sẵn nhưng, vì những lí do không rõ, việc phát minh ra kính thiên văn vẫn phải tiếp tục chờ một thời gian nữa.
Kính thiên văn xuất hiện đầu tiên ở Hà Lan. Vào tháng 10 năm 1608, chính quyền quốc gia ở Hague đã bàn về một ứng dụng phát minh cho một dụng cụ hỗ trợ “nhìn những thứ ở xa như thể ở gần”. Chính quyền nhận thấy dụng cụ đó quá dễ copy và đã không trao bằng sáng chế, nhưng họ dành một phần thưởng nhỏ cho Jacob Metius và thuê Hans Lipperhey chế tạo một vài mẫu nhìn bằng hai mắt, với nó ông đã được trả công hậu hĩ.
Minh họa sớm nhất được biết của kính thiên văn. Giovanbattista della Porta đã vẽ bức họa này trong một lá thư viết vào tháng 8 năm 1609.
Kính thiên văn (cùng với kính hiển vi, một phát minh khác vào thế kỉ thứ 17) đã chứng minh những người quan sát bình thường có thể nhìn thấy những thứ mà các nhà triết học Hi Lạp không dám mơ tới. Nó chuyển hướng uy lực quan sát tự nhiên từ con người sang các thiết bị.
Ống quang học của Galileo
Tin tức phát minh ra kính thiên văn nhanh chóng lan truyền khắp châu Âu. Tháng 4 năm 1609, những chiếc ống ngắm phóng đại ba lần có thể mua tại các cửa hiệu của các nhà chế tạo kính ở Pont Neuf ở Paris, và bốn tháng sau đó đã có mặt tại một vài nơi ở Italia. Chúng được làm cho nổi tiếng bởi vị giáo sư và nhà thực nghiệm người Italia tên là Galileo Galile vào mùa hè năm 1609 tại trường đại học Padua, gần Venice.
Chòm sao Kim Ngưu do Galile vẽ
Kính thiên văn khúc xạ kiểu Galile. Ở ngoài cùng bên trái là vật kính hội tụ. Nó có tiêu cực f1, đó là chiều dài mà ở đó nó mang ánh sáng từ một vật ở xa đến tiêu điểm. Thấu kính thứ hai phân kì (tiêu cự f2) gửi một lần nữa ánh sáng về phía mắt người quan sát, ở đó thấu kính chính là con mắt
– thường không được nhắc tới trong những mô tả như thế này! – mang nó đến tiêu điểm nằm trên võng mạc mắt của người quan sát.
Trong khi Galile không phát minh ra kính thiên văn, ông đã thật sự thiết kế và chế tạo những chiếc kính thiên văn với công suất phóng đại ngày càng cao cho mục đích sử dụng riêng của ông và trình diễn cho người bảo trợ của ông. Ông là
một nhà chế tạo thiết bị khéo léo, và kính thiên văn của ông được biết tới vì chất lượng của chúng.
Chiếc kính thiên văn đầu tiên của Galile về cơ bản là một ống chứa hai thấu kính. Cố gắng đầu tiên của ông là một thiết bị phóng đại ba lần; tiếp sau đó là một cái phóng đại vật lên chín lần. Ông đã trình diễn mẫu thứ hai trên với nghị viện thành Venice, hi vọng ghi dấu ấn tiềm năng thương mại và quân sự của nó.
Kính thiên văn của Galile
Các quan sát với kính thiên văn của Galile đã củng cố thêm ý tưởng cho rằng Trái Đất và các hành tinh quay tròn xung quanh Mặt Trời. Nó cũng phát hiện ra vô số sao trong Dải Ngân hà và ở khắp nơi. Người ta có vẻ nhìn thấy không phải một quả cầu cố định gắn các sao, mà là một vũ trụ sao mở rộng ra đến khoảng cách bao la và không biết rõ, có lẽ là vô tận.
Giống như các phiên bản Hà Lan trước đó, kính thiên văn khúc xạ của Galile sử dụng thấu kính làm bẻ cong, hay khúc xạ, ánh sáng. Chiếc kính thiên văn đó khá dễ chế tạo. Tuy nhiên, Galile đã phải đối mặt với những khó khăn trong việc tìm kiếm loại thủy tinh trong suốt và đồng nhất cho thấu kính của ông. Thủy tinh vốn chứa đầy các bọt nhỏ và có màu hơi ngả sang xanh (do sự có mặt của tạp chất sắt).
Đây là một vấn đề gây phiền hà cho các nhà chế tạo kính thiên văn trong nhiều thế kỉ. Cũng thật khó định hình thấu kính một cách hoàn hảo. Hình ảnh của các sao lu mờ đi, và bị bao quanh bởi những quầng màu.
Yếu tố hạn chế của những chiếc kính thiên văn khúc xạ buổi đầu này là trường nhìn nhỏ của chúng. Ví dụ, mỗi lần nhìn chỉ quan sát được một phần của toàn bộ Mặt Trăng. Chính Galile đã tự cải tiến những dụng cụ của ông cho đến khi chúng dài tới bốn feet và phóng đại ảnh lên tới 30 lần.
Cải tiến của Kepler về kính thiên văn
Một cải tiến cho kính thiên văn Galileo đã được đề xuất bởi Johannes Kepler trong quyển sách Dioptrice năm 1611 của ông. Ông lưu ý rằng một dụng cụ viễn vọng có thể chế tạo bằng hai thấu kính hội tụ, nhưng ảnh do nó tạo ra sẽ lộn ngược.
Kính thiên văn khúc xạ kiểu Kepler.
Ở ngoài cùng bên trái là vật kính hội tụ. Nó có tiêu cự f1, chiều dài mà ở đó nó mang ánh sáng từ một vật ở xa đến tiêu điểm. Thấu kính hội tụ thứ hai (tiêu cự f2) một lần nữa gửi ánh sáng về phía mắt người quan sát. Thủy tinh thể trong mắt của người quan sát sau đó làm hội tụ nó lên võng mạc của người quan sát.Kết quả là nhà quan sát nhìn thấy một ảnh nằm giữa hai thấu kính. Hình này bị
lộn ngược so với vật ở xa ban đầu.
Thuận lợi của thiết kế này, theo Kepler, là trường nhìn của nó rộng hơn và độ phóng đại cao. Tuy nhiên, đề xuất của ông không được các nhà thiên văn nhận ra ngay. Kính thiên văn kiểu Kepler không được chấp nhận mãi cho đến khi Christoph Scheiner, một nhà toán học dòng Tên người Đức, cảm thấy hứng thú với các thiết bị, và xuất bản cuốn Rosa Ursina năm 1630 của ông.
Trong các nghiên cứu vết đen Mặt Trời của ông, Scheiner đã thí nghiệm với những chiếc kính thiên văn chỉ có thấu kính hội tụ. Ông nhận thấy khi ông quan sát một vật trực tiếp qua một dụng cụ như thế, thì ảnh bị lộn ngược lại. Nhưng nó sáng hơn nhiều và trường nhìn rộng hơn nhiều so với kính thiên văn Galile, đúng như Kepler đã tiên đoán. Vì trong quan sát thiên văn, chuyện ảnh bị lộn ngược là không thành vấn đề, nên tiện lợi của cái trở nên nổi tiếng là “kính dùng cho thiên văn” dẫn tới sự chấp nhận rộng rãi của nó trong cộng đồng khoa học hồi giữa thế kỉ 17
Bản mô tả vết đen Mặt Trời trong cuốn Tres Epistolae của Scheiner Một số kính thiên văn kì lạ
Một nhược điểm của kính thiên văn do Kepler đề xuất và Scheiner tán thành là độ phóng đại cao hơn của nó đi cùng với nhiều cầu sai và sắc sai hơn – tức là sự méo hình và màu sắc không trung thực. Trong vài thập niên sau đó, kĩ thuật nghiền và mài thấu kính đã cải tiến từng bước. Một cộng đồng thợ thủ công chuyên nghiệp trong số các nhà chế tạo kính thiên văn từ từ phát triển. Những người thợ thủ công này đã làm việc mang lại những thấu kính cầu tốt hơn với độ cong giảm (và tiêu cự dài hơn) cải thiện chất lượng kính thiên văn, chế tạo chúng dài hơn.
Từ chiếc kính viễn vọng Galile tiêu biểu dài 5 hay 6 feet, những chiếc kính thiên văn đã tăng chiều dài lên 15 hay 20 feet vào giữa thế kỉ thứ 17. Một chiếc kính thiên văn điển hình của thời kì này là chiếc chế tạo vào năm 1656 bởi Christiaan Huygens, nhà toán học và thiên văn học người Hà Lan, cùng với người anh em của ông Constantine. Dài 23 feet, nó phóng đại các vật lên khoảng 100 lần, và vẫn có trường nhìn đáng kể. Một trong những đối tượng ngoạn mục nhất mà Christiaan Huygens có thể quan sát với chiếc kính thiên văn của họ là tinh vân Orion lớn.
Kính thiên văn 150 foot của Hevelius, tại Danzig
“Trong lưỡi gươm của Orion là ba ngôi sao khá gần nhau. Năm 1656, tôi tình cờ quan sát vùng giữa của một trong số những ngôi sao này với một chiếc kính thiên văn, thay vào đó là một bộ 12 sao tự biểu hiện chúng (một hiện tượng hiếm thấy). Ba trong số này hầu như chạm vào nhau, và với bốn ngôi sao khác chiếu qua tinh vân, nên không gian xung quanh chúng có vẻ sáng hơn nhiều so với phần còn lại của bầu trời, chúng hoàn toàn trong trẻo và hình như khá đen, kết quả là một khe trống trên bầu trời mà qua đó có thể nhìn thấy một vùng sáng hơn”.
Huygens, 1659
Một chiếc kính thiên văn “tiêu cự dài” hơn nữa được mô tả bởi nhà thiên văn người Đức Johannes Hevelius trong cuốn sách Machiane Coelestis năm 1673 của ông. Ông đã chế tạo những chiếc kính thiên văn có tiêu cự dài tới 150 feet và thấu kính có đường kính lên tới 8 inch. Tuy nhiên, giá trị của chúng với tư cách là công cụ nghiên cứu vẫn còn đáng ngờ, vì giàn khung của kính thiên văn uốn cong và lung lay cả trong cơn gió nhẹ nhất.
Người anh em của Huygens cũng phát triển “kính thiên văn trên không trung”. Những chiếc kính kiểu này có đặc điểm nổi bật là vật kính gắn trên một ống sắt trên một cái sào cao. Nhà thiên văn nâng lên và hạ xuống cái ống này và tìm ảnh bằng cách thử và sửa sai. Một thị kính ghép được đặt hơi đứng để thu ảnh do vật
kính bắt được. Mặc dù các nhà thiên văn đã có một số khám phá với những chiếc kính thiên văn như thế này, nhưng công dụng của chúng thật hạn chế - việc canh thẳng hàng trong những đêm nhiều gió, chẳng hạn, thật khó khăn – và thiết kế của chúng thật kềnh càng.
Đài quan sát trên mái nhà của Hevelius
Vào đầu thế kỉ 18, những chiếc kính thiên văn khúc xạ rất dài hiếm còn được sử dụng nữa. Việc nâng cao công suất, bắt đầu vào giữa thế kỉ 17, đã dẫn đến một loại kính thiên văn mới – kính thiên văn phản xạ.
Chương 10