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”.
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.
Kính thiên văn phản xạ khổng lồ của Herchels
“Đó là một sự hoang mang khủng khiếp gồm những cột, trụ và thang leo cùng dây nhợ, ở giữa là một cái ống khổng lồ… ngước cái mõm to lớn của nó bướng bỉnh nhìn lên trời”.
Oliver Wendell Holmes
William và Caroline Herchels
William Herchels, một nhà soạn nhạc di cư từ Hanover sang Anh và chuyển sang nghiên cứu thiên văn học, hướng những nỗ lực đầu tiên của ông vào việc chế tạo kính thiên văn khúc xạ. Nhưng các ống ngắm dài lòng thòng khiến ông bực mình (ông đã chế tạo một cái dài 30 feet) và ông hướng sự chú ý của mình sang các
gương. Cuối thập niên 1770, Herchels đã chế tạo được vài chiếc kính thiên văn phản xạ. Chiếc kính thiên văn thành công nhất của ông có một cái gương 6 ½ inch và dài 7 feet. Ông sử dụng chiếc kính này để biên soạn danh mục đích thực đầu tiên của những ngôi sao đôi và, năm 1781, phát hiện ra Thiên vương tinh. Khám phá này mang Herchels đến sự ghi nhận của hoàng gia – và mức lương thường niên là 200 bảng đã cho phép ông tiến hành nghiên cứu thiên văn trọn thời gian.
Kính thiên văn 20 foot của Herchels
Được khích lệ bởi thành công của ông, Herchels bỏ qua vài năm tiếp sau đó để hoàn thiện một chiếc kính thiên văn còn lớn hơn nữa. Nó có một cái gương đường kính gần 19 inch, bọc trong một ống ngắm dài 20 foot trên một gọng vòm cao độ-phương vị. Giống như những chiếc gương kính thiên văn buổi đầu khác, nó chế tạo bằng kim loại (chủ yếu là đồng và thiếc) và giảm độ bóng nhanh chóng, nên nó phải được mài lại thường xuyên. Chân của chiếc kính thiên văn có thể mở ra và cái gương dễ dàng tháo rời. Một cái gương khác luôn luôn có sẵn trong khi cái gương thứ nhất được mang đi mài lại.
William Herchels thực hiện các quan sát của ông với sự phụ giúp của người chị gái Caroline. Thị kính của kính thiên văn gắn ở phía trên ống ngắm, nên Herchels quan sát từ một cái bục có thể nâng lên hay hạ xuống khi cần thiết. Caroline ngồi tại cửa sổ bên trong một ngôi nhà kế bên. Khi William ra hiệu bằng cách kéo dây, bà sẽ mở cửa sổ và ghi lại các quan sát của người em trai của mình khi ông đọc chúng cho bà nghe. Công việc quan sát thật gian khổ, Herchels ra ngoài trời khi nào hễ có thể, cả trong giá rét căm căm. Một đêm, trong khi sử dụng một chiếc kính thiên văn cũ, mực viết của ông bị đông lại và chiếc gương tốt nhất của ông bị “vỡ thành hai mảnh”. Công việc quan sát từ bục cao cũng thật mạo hiểm. Caroline ghi lại rằng bà và người em trai của mình đã có “một danh sách dài xinh xắn các vụ tai nạn… tỏ ra không tránh được đối với em trai tôi cũng như với chính tôi”.
Năm 1783, sử dụng kính thiên văn phản xạ 20 foot, Herchels bắt đầu tìm kiếm trong bầu trời đêm những mảng sáng mờ nhạt trên nền trời gọi là tinh vân. Năm 1784, ông báo cáo rằng kính thiên văn của ông có khả năng phân giải từng ngôi sao riêng lẻ trong tinh vân trước đấy đã được nhận ra bởi nhà thiên văn học người Pháp Charles Messier và rằng ông cũng tìm thấy hàng trăm tinh vân mới.
Nhìn từ trên xuống ống ngắm 20 foot của Herchels khi không có thị kính của nó.
“[Herchels] đã phát hiện 1500 vũ trụ! Làm sao mà ông có thể tìm thấy số lượng nhiều hơn so với người ta có thể ước đoán ?”
Nhà văn Anh Fanny Burney, 1786
Kính thiên văn 20 foot của Herchels là chiếc tốt nhất trong số các thiết bị của ông. Năm 1785, ông bắt đầu thiết kế một cái lớn gấp đôi, nó có thể thu nhận ánh sáng nhiều gấp bốn lần. Ông bắt đầu sử dụng chiếc kính thiên văn 40 foot này vào mùa thu năm 1789, và nhanh chóng tìm ra được hai vệ tinh nữa của Thổ tinh (Mimas và Enceladus). Tuy nhiên, ống kính dài có xu hướng bị bẻ cong, trong khi yêu cầu mài lại thường xuyên chiếc gương chính làm hạn chế công dụng của nó. Herchels thỉnh thoảng mới sử dụng đến chiếc kính khổng lồ bướng bỉnh này, và ông thích dùng chiếc 20 foot dễ sử dụng hơn. Như ông lưu ý, “việc nhìn qua một chiếc kính to hơn yêu cầu mất nhiều thời gian, đó là thứ mà trong một đêm trong trẻo nhà thiên văn không hề có thừa”.
Herchels thực hiện quan sát cuối cùng của ông với chiếc kính thiên văn 40 foot vào năm 1815. Sổ nhật kí của ông ghi: “Thổ tinh rất sáng và phân biệt rõ ràng… chiếc gương thì cực kì mờ bẩn”. Sự giảm độ bóng như thế là một trong số vài hạn chế gay gắt đối với kính thiên văn phản xạ lớn, và trong vài thập niên sau
đó, sự thịnh hành của chúng bị lụi tàn. Những tiến bộ trong thiết kế quang học và chế tạo kính đang làm hồi sinh kính thiên văn khúc xạ với tư cách là một công cụ dùng cho nghiên cứu.
Chương 11