“Kính thiên văn khúc xạ luôn luôn thích ứng tốt hơn so với kính thiên văn phản xạ đối với những công việc quan sát bình thường… chúng mang lại sự tiện lợi tốt hơn nhiều cho những mục đích đo đạc chính xác”.
Agnes M. Clerke, 1887
Thế kỉ 19 đã chứng kiến một cơ hội bùng nổ đối với kính thiên văn sử dụng thấu kính (kính thiên văn khúc xạ) là công cụ quan trọng nhất của các nhà thiên văn chuyên nghiệp. Khi kĩ thuật quang được cải tiến, kính thiên văn khúc xạ trở thành một công cụ vạm vỡ và chính xác. Nó thích ứng tốt cho hứng thú nghiên cứu của các nhà khoa học, những người chủ yếu tập trung vào việc đo chính xác vị trí và chuyển động tương đối của các sao. Các nhà thiên văn đã nghĩ ra những chiếc kính thiên văn lớn hơn bao giờ hết bắt được sự chú ý của các nhà hảo tâm Mĩ giàu có. Cuối thế kỉ 19, người Mĩ kiêu hãnh với hai chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới. Cũng thật quan trọng cho vũ trụ học là sự chấp nhận dần của các nhà thiên văn học về thiên văn học vật lí, ngành học hợp nhất lí thuyết vật lí với sự nghiên cứu các sao.
Đúc thủy tinh ở Đức vào đầu thế kỉ 20, như minh họa bởi Erich Kuithan trong cuốn Die Glasindustrie in Jena (Jena, 1909).
Thủy tinh tốt hơn chế tạo ra kính thiên văn tốt hơn
Chiến thắng của kính thiên văn khúc xạ với tư cách là một công cụ nghiên cứu quan trọng phụ thuộc vào sự tiến bộ công nghệ. Các nhà chế tạo kính đã hoàn thiện công nghệ sản xuất thủy tinh quang chất lượng cao và các nhà quang học phải tính ra cách tránh sự nhòe màu sắc bởi thấu kính (hiện tượng sắc sai). Mãi cho đến đầu thế kỉ 20 thì việc sản xuất kính mới trở thành một nghề chứ không phải khoa học. Đặc biệt là thủy tinh quang phải có khiếm khuyết và còn dư màu sắc. Chẳng hạn, tạp chất sắt trong cát dùng chế tạo kính có thể nhuộm màu thủy tinh, còn những bọt li ti hay các khiếm khuyết khác có thể làm cho thủy tinh không thể dùng làm thấu kính được.
Một xưởng thủy tinh hồi thế kỉ 19.
Hiện tượng sắc sai. Thấu kính hai mặt lồi nhận các tia sáng trắng song song. C: tiêu điểm đối với tia màu xanh. D: tiêu điểm đối với tia màu vàng. E: tiêu điểm đối với tia màu đỏ.
Một tiến bộ chính khắc phục hiện tượng sắc sai vốn có ở thấu kính khúc xạ xuất hiện vào thập niên 1750. Nhà quang học người Anh, John Dolland, rút kinh nghiệm từ những nghiên cứu trước đó, đã chỉ ra cách loại trừ hầu như toàn bộ sự sắc sai. Thủ thuật là kết hợp một thấu kính lồi chế tạo từ thủy tinh pha chì (“flint”) với một thấu kính lồi khác có mật độ hơi thấp hơn. Màu sắc bị phân tán bởi thấu kính thứ nhất được bẻ trở lại với nhau bởi thấu kính thứ hai. Những thấu kính kiểu này được gọi là thấu kính tiêu sắc. Dolland đã nhận bằng sáng chế cho thiết kế của ông, nhưng chất lượng tệ hại của thủy tinh flint vào thời đó đã làm hạn chế công dụng của nó.
“Một trong những trở ngại lớn đối với việc xây dựng kính thiên văn tiêu sắc cỡ lớn là khó khăn trong việc tìm kiếm các đĩa thủy tinh flint lớn có mật độ đều, màu sắc tốt và không có vân”.
Thomas Dick, 1845
Vào đầu thế kỉ 19, sự tiến bộ trong việc sản xuất thủy tinh quang đã đưa đến những chiếc kính thiên văn khúc xạ tốt hơn. Từ năm 1784 đến 1790, Pierre Louis Guinand, một thợ thủ công người Thụy Sĩ, đã tự học được những kĩ năng cơ bản của việc chế tạo kính và bắt đầu thí nghiệm với thủy tinh quang. Những cố gắng đầu tiên của ông không được như ý. Mãi cho đến cuối thập niên 1790 Guinand mới có thể chế tạo những thấu kính chất lượng cao lớn cỡ 6 inch. Bước đột phá lớn của Guinand xuất hiện vào năm 1805, khi ông thay các thanh gỗ dài dùng để trộn thủy tinh nóng trong lò luyện bằng các que cời làm bằng đất sét. Que cời mới mang lại các bọt bất ngờ trên bề mặt và trộn thủy tinh đủ tốt để sản xuất một chất gần như hoàn mĩ.
Pierre Louis Guinand, năm 1800
Guinand bị cám dỗ tới Munich bởi một công ti quang của Đức, ỏ đó ông đã chia sẻ bí mật của ông với Joseph Fraunhofer, một nhà quang học tập sự. Fraunhofer, thành thạo cả toán học và thiết kế quang, là nhà khoa học đầu tiên xác định được các vạch tối biểu thị phổ ánh sáng phát ra từ các ngôi sao. Sau khi Guinand quay trở về Thụy Sĩ, Fraunhofer tiếp tục thí nghiệm với việc chế tạo kính và thiết kế thấu kính.
Nỗ lực của Fraunhofer đã đơm hoa kết trái ở vài chiếc kính thiên văn khúc xạ xuất sắc, xây dựng trước khi ông qua đời vào năm 1826 khi ở tuổi 39. Một trong số này là chiếc kính thiên văn 9,5 inch tại Đài quan sát Dorpat của Nga, lắp đặt vào năm 1824 bởi F.G. Wilhelm Struve. Nhà thiên văn học trứ danh người Nga đó phê bình rằng thoạt nhìn qua thiết bị, ông không thể xác định “cái gì là đáng khâm phục nhất, tính đúng đắn của việc xây dựng nó… hay công suất quang không gì sánh nổi, và độ chính xác mà các vật được xác định”. Struve và các nhà thiên văn khác đã sử dụng chiếc kính thiên văn này khảo sát hơn 120.000 ngôi sao.
Kính thiên văn khúc xạ lớn tại Dorpat
“Kính thiên văn lớn Dorpat” dài 14 foot được chú ý tới không những chỉ bởi chất lượng cao của các thấu kính của nó mà còn vì cách lắp đặt nó. Nó là ví dụ đầu tiên của cái sau này trở nên nổi tiếng là cách lắp kính xích đạo. Nó có một trục “địa cực” nằm thẳng hàng chính xác với trục quay của Trái Đất (nghĩa là trục nó, nói đại
khái, hướng về phía sao Bắc Cực). Cùng với một trục “nghiêng”, vuông góc với trục địa cực, cấu trúc này cho phép kính thiên văn quay về bất cứ phía nào của bầu trời. Thuận lợi lớn của cách lắp đặt kính xích đạo của Fraunhofer là trục địa cực liên tục quay bằng một cơ chế đồng hồ. Nó được điều khiển ở tốc độ chính xác để trung hòa chuyển động biểu kiến hàng ngày của các sao ngang qua bầu trời. Như vậy, kính thiên văn lần theo các sao một cách tự động. Cách tân của Fraunhofer trở thành một phần của thiết kế chuẩn của kính thiên văn trong thế kỉ 19, cho phép các nhà thiên văn săm soi dễ dàng hơn vào bầu trời đêm. Cách lắp đặt xích đạo điều khiển bằng đồng hồ tỏ ra thiết yếu khi nhiếp ảnh được đưa vào thiên văn học trong nửa sau của thế kỉ 19, trong đó người ta có thể phơi sáng các tấm phim chụp trong thời gian dài.
Kĩ thuật chế tạo thủy tinh và thấu kính chất lượng cao lan rộng sang Pháp và Anh. Chính phủ Anh, chẳng hạn, đã nhìn thấy tiềm năng cho một nền công nghiệp sinh lợi, và yêu cầu các nhà khoa học áp dụng kĩ năng của họ cải thiện nền sản xuất kính quang học của đất nước. Trong khi đó, thành công của Fraunhofer trong việc chế tạo những thiết bị thiên văn giúp hình thành nên nền công nghiệp quang của người Đức dẫn đầu thế giới trong hơn nửa thế kỉ.
Gia đình người thợ thủ công Alvan Clark
Năm 1825, tổng thống John Quincy Adams than phiền rằng trong khi các quốc gia châu Âu kiêu hãnh có hơn 130 “ngọn hải đăng trên trời”, thì người Mĩ chỉ có vài ba tiện nghi quan sát cầm tay. Đến cuối thế kỉ 19, vấn đề này được giải quyết khi người Mĩ tăng cường tài trợ rất lớn cho xây dựng kính thiên văn.
Những đài quan sát đầu tiên xây dựng trên đất Mĩ được trang bị những chiếc kính thiên văn xuất xứ từ Âu châu. Một thí dụ là kính thiên văn khúc xạ mới 15 inch khánh thành vào năm 1847 tại Đài quan sát Harvard College. Quyên góp từ các công dân Boston đã trả tiền cho nó. Được đặt tên là “Kính khúc xạ lớn”, nó là chiếc kính thiên văn khúc xạ lớn nhất thế giới trong 20 năm. Thiết bị Harvard đó (giống như một cái tương tự tại Đài quan sát Pulkovo ở Nga) do một công ti Đức chế tạo.
Alvan Clark (ở giữa) cùng với hai người con trai Alvan Graham Clark (bên trái) và George Bassett Clark (bên phải)
Kính thiên văn 15 inch
Tuy nhiên, chiếc kính thiên văn đầu tiên vượt trội hơn kính thiên văn 15 inch Harvard và của Nga được chế tạo không phải bởi một công ti châu Âu, mà bởi một công ti Mĩ. Alvan Clark, cùng với hai người con trai Alvan Graham Clark và George Bassett Clark, trở thành những nhà chế tạo kính thiên văn hàng đầu thế giới vào nửa cuối thế kỉ 19. Công ti của họ, Alvan Clark & Sons, đã xây dựng thiết bị cho hầu như mỗi đài quan sát ở Mĩ cũng như ở một số nơi bên kia bờ đại dương. Năm lần công ti Clark đã phá kỉ lục của mình bằng việc chế tạo thấu kính dùng cho kính thiên văn khúc xạ lớn nhất thế giới. Một số vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay.
Món hời lớn nhất của Clark anh xuất hiện vào năm 1880. Vị khách hàng là James Lick, một doanh nhân người San Francisco không có người thừa kế, quyết định lưu danh muôn thuở bằng cách tài trợ cho chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới. Sau khi Lick qua đời vào năm 1876, ngọn núi Hamilton ở gần Santa Cruz,
California, được chọn làm địa điểm cho công trình kỉ niệm của Lick. Alvan Clark & Sons đã kí hợp đồng sản xuất thấu kính 36 inch cho chiếc kính thiên văn khổng lồ. Một công ti Pháp chế tạo các đĩa thủy tinh trống (họ phải thử 19 lần trong 3 năm). Việc nghiền và mài hoàn thành vào năm 1885. Mái vòm của kính thiên văn là tiên tiến vào thời của nó, với thiết kế bù cho sự dãn nở và co lại của kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Sàn hình tròn của mái vòm nâng lên và hạ xuống đến gần 17 feet để bắt theo thị kính của ống kính dài 58 foot.
Kính thiên văn Lick 36 inch.
Thân thể Lick được mai táng trong khối bê tông bên dưới chiếc kính.
Alvan Clark mất ở tuổi 83 vào năm 1887, cùng năm kính thiên văn khúc xạ 36 inch Lick được lắp đặt. Chất lượng tuyệt với của chiếc kính thiên văn 36 inch, cùng với điều kiện quan sát tuyệt với của ngọn núi Hamilton, đã giúp cho Đài quan sát Lick trở thành một trong những trung tâm thiên văn học hàng đầu thế giới. Lick cũng đã khởi động xu hướng xây dựng những chiếc kính thiên văn chủ yếu của người Mĩ bên dưới bầu trời miền tây tương đối quang đãng.
Gia đình Clark
Alvan Clark sinh ở Massachusetts và, sau khi làm việc chủ yếu cho một nhà chế tạo xe ngựa, đã bỏ ra vài năm khắc các hình trụ dùng để in hoa văn lên vải vóc. Năm 1844, người con trai trưởng của ông, George Bassett, thử chế tạo một chiếc kính thiên văn nhỏ. Việc này khuyến khích Alvan thử tay nghề của ông với kính thiên văn. Niềm hứng thú của ông rõ ràng là được cổ vũ bởi thị trường kính thiên văn đang tăng trưởng ở Mĩ. Người Mĩ có niềm say mê to lớn với thiên văn học, niềm say mê ấy được khích lệ bởi sự xuất hiện của một ngôi sao chổi đẹp ngoạn mục vào năm 1843.
Ngôi sao chổi lớn của năm 1843 nhìn từ xứ Kent, nước Anh
Alvan Clark tự học cách mài thấu kính và sớm tham gia cùng hai người con trai chế tạo những chiếc kính thiên văn khiêm tốn. Năm 1855, Alvan Clark & Sons, George và Alvan Graham, chế tạo trên một tá thấu kính có kích thước từ 4 đến 7 inch. Họ đã sử dụng thiết bị của mình phát hiện ra vài ngôi sao đôi mới. Năm 1860, các viên chức ở trường đại học Mississippi yêu cầu Clark chế tạo một chiếc kính thiên văn khúc xạ có khẩu độ 19,2 inch. Kích thước đó khiến nó là kính thiên văn lớn nhất của thế giới, và thu ánh sáng nhiều hơn 50% so với kính 15 inch của Harvard. Sau một số lưỡng lự, Clark và các con trai của ông đã đảm nhận công việc đó. Họ có kính thiên văn sẵn sàng giao hàng trong năm 1862, nhưng không thể nhận được tiền thù lao của mình. Lúc ấy, cuộc nội chiến đang ở cao điểm, và trường đại học Mississippi không thể nào nhận hàng được. Cuối cùng, năm 1866, thiết bị đó được gửi tới Đài quan sát Dearborn của đại học Chicago. Sau đó, năm 1889, nó được chuyển tới đại học Tây Bắc.
Alvan Clark & Sons đã vượt qua thành tựu này vào năm 1873, khi họ chế tạo thấu kính và lắp đặt cho một kính thiên văn 26 inch cho Đài quan sát Hải quân Mĩ với giá 50.000 đô la. Một thập niên sau đó, họ đã chế tạo được thấu kính 30 inch cho Đài quan sát Pulkovo của Nga. Công việc đạt tới đỉnh cao ở kính thiên văn khúc xạ lớn 36 inch Lich và 40 inch Yerkes.
Kính thiên văn khúc xạ 26 inch của Đài quan sát Hải quân Mĩ ở thủ đô Washington. Yerkes “hạ gục” Đài quan sát Lick
Geore Ellery Hale có lẽ là nhà môi giới khoa học người Mĩ lớn nhất vào thời của ông. Ông đã gây cảm hứng, tổ chức và giúp tìm nguồn tài trợ cho ba đài quan
sát quan trọng nhất trong lịch sử thiên văn học. Năm 1892, chàng trai trẻ 24 tuổi Hale là một phó giáo sư mới kết hôn tại trường đại học Chicago, một nhà khoa học trẻ nhiều tham vọng ở một học viện trẻ nhiều tham vọng. Tháng 10 năm đó, ông tháp tùng hiệu trưởng trường đại học Chicago William R. Harper tới thăm trụ sở của Charles T. Yerkes. Yerkes là một ông trùm ở Chicago, người trở nên giàu có nhờ kinh doanh dịch vụ xe khách và xe lửa. Công việc kinh doanh nhạt nhẽo của ông mang lại cho ông sự khinh bỉ từ nhiều cư dân Chicago. Vừa mới kết hôn cùng một cô gái trong dàn hợp xướng, Yerkes cảm thấy hài lòng với địa vị xã hội và tài sản của mình. Một cách để nâng cao chỗ đứng trong xã hội là đầu tư cho khoa học theo kiểu xa hoa. Hale và Harper rời trụ sở của Yerkes với sự ủy nhiệm xây dựng “kính thiên văn… lớn nhất và tốt nhất trên thế giới… và gửi hóa đơn cho tôi”. Các tờ báo địa phương đã chạy những dòng tít ví dụ như “Ông chủ công ti xe khách dùng kính thiên văn làm chìa khóa bước vào chính trường” và khoe khoang rằng kính thiên văn mới sẽ “hạ gục Lick”.
George Ellary Hale
“Toàn bộ công trình nhất định sẽ tốn của ông Yerkes nửa triệu đô la. Ông là người sôi nổi và không do dự… Thật dễ chịu khi làm việc với một người như thế”.
William R. Harper, 1892
Hale tự đặt cho mình nhiệm vụ tổ chức cái sẽ trở thành Đài quan sát Yerkes. Ông biết rằng Alvan Clark & Sons có một thấu kính đã hoàn thành một phần, đường kính 40 inch, còn lại từ một dự án kính thiên văn khác chưa bao giờ được cụ thể hóa. Vài ngày sau chuyến viếng thăm Yerkes, Alvan Graham Clark đến Chicago và đồng ý hoàn thiện thấu kính 40 inch cho đài quan sát mới. Công ti thiết bị có tiếng
Warner and Swasey sẽ thực hiện lắp đặt kính.
Alvan Clark & Sons hoàn thành thấu kính (thật ra là một cặp tiêu sắc, một thấu kính thủy tinh crown và một thấu kính thủy tinh flint) vào tháng 10 năm 1895. Nó nặng 500 pound và có tiêu cự 62 feet. Năm 1897, thấu kính được chở tới vịnh Williams, Wisconsin, địa điểm được chọn của đài quan sát mới. Kính thiên văn đó có các bộ phận chuyển động của nó và các đối trọng nặng trên 20 tấn, được định vị cân bằng tốt nên các động cơ nhỏ có thể dễ dàng di chuyển nó để hướng tới bất kì phần nào của bầu trời. Giống như tại Lick, các nhà thiên văn có thể nâng lên hay hạ