“Nền thiên văn học sao có thể nói là sống nhờ vào ánh sáng. Khẩu độ kính thiên văn lớn là điều kiện thiết yếu cho sự tiến bộ và hoạt động của nó”.
Agnes M. Clerke, 1905
Sự phát triển của kính thiên văn phản xạ cỡ lớn vào đầu thế kỉ 20 song song với sự phát triển của thiên văn học vật lí và nhu cầu của các nhà vật lí muốn có thể thu nhận nhiều ánh sáng hơn bao giờ hết cho các chương trình nghiên cứu quang phổ học và nhiếp ảnh. Kính thiên văn khúc xạ biểu hiện các quang sai còn dư, còn tiêu cự ngắn hơn của kính thiên văn phản xạ có nghĩa rằng kính thiên văn kiểu này có thể có ống ngắm ngắn hơn và được che trong những mái vòm nhỏ hơn, khiến cho chúng ít đắt tiền hơn trong xây dựng.
Tuy nhiên, vào đầu thế kỉ 20, các nhà thiên văn vẫn còn bất đồng về mẫu kính thiên văn nào là tốt nhất. Một số cho rằng kính thiên phản xạ khổng lồ là bất tiện và không chính xác và lưu ý tới sự nhiễu nhiệt gây ra bởi nhiệt độ hàng đêm thay đổi tại đài quan sát. Trong một số năm, kính thiên văn khúc xạ vẫn được xem là công cụ hàng đầu của nhà thiên văn chuyên nghiệp, còn nhà thiên văn nghiệp dư thì làm thí nghiệm với kính thiên văn phản xạ.
Với những tiến bộ kĩ thuật tráng kim loại phản xạ lên gương thủy tinh, và sự nâng cao năng lực của các kĩ sư ở những công ti kính trong việc chế tạo những chiếc gương trống rất lớn, vào năm 1920 kính thiên văn phản xạ khổng lồ đã thế chỗ cho kính thiên văn khúc xạ - trừ trong những chức năng chuyên dụng – làm công cụ nghiên cứu chính của nhà thiên văn.
Tiến bộ này không chỉ phụ thuộc vào những tiến triển trong kĩ thuật quang, mà còn phụ thuộc vào kĩ thuật cơ. Cái gương lớn sẽ hơi thay đổi hình dạng khi kính thiên văn xoay từ chỗ hướng lên cao trên bầu trời tới hướng xuống thấp hơn. Để chống đỡ cho gương hội tụ cực kì chính xác, các kĩ sư đã nghĩ ra những hệ thống đòn bẫy khéo léo và phản hồi mềm dẻo. Sử dụng những thiết bị ưu tú này, các nhà thiên văn bắt đầu đưa ra bằng chứng mới có sức thuyết phục làm thay đổi cách thức con người đã hiểu về lịch sử của vũ trụ.
Hale và cuộc phiêu lưu buổi đầu của Ritchey
Như ông đã làm với nhiều lĩnh vực của thiên văn học, George Ellery Hale là nhân vật ưu tú đã thúc đẩy sự chấp nhận kính thiên văn phản xạ là một công cụ có giá trị cho nền thiên văn học vật lí hiện đại. Ngay cả khi ông giám sát việc lắp đặt chiếc kính thiên văn khúc xạ lớn nhất thế giới – thiết bị 40 inch nổi tiếng tại Yerkes – Hale cũng đồng thời chủ trương sử dụng kính thiên văn phản xạ cho nghiên cứu thiên văn vật lí và chứng minh giá trị của nó cho nghiên cứu quang phổ học và những mục đích chụp ảnh khác.
Giúp đỡ ông trong nỗ lực của ông là George W. Ritchey, một nhà quang học trẻ do Hale thuê làm việc vào năm 1826. Ritchey, một người cầu toàn tự nhiên, vừa
chế tạo được vài ba chiếc kính thiên văn phản xạ kích thước khiêm tốn và quan tâm tới giá trị của nó cho chụp ảnh thiên văn. Với tiền túi của ông, Ritchey đã chế tạo một cái gương thủy tinh tráng bạc 24 inch sau này được lắp vào một ống ngắm gồm các ống dẫn thép và nhôm. Các bức ảnh chụp được với thiết bị này có chất lượng cao và cho thấy kính thiên văn phản xạ tốt trong tay người sử dụng có kĩ năng có thể có sức mạnh khoa học rất lớn. Thành công của nó cũng truyền cảm hứng cho Hale xem xét việc xây dựng một phiên bản lớn hơn của nó. Nhưng thay cho vị trí có độ cao thấp của Yerkes, tầm nhìn của Hale là xây dựng chiếc kính thiên văn mới của ông trên một đỉnh núi ở miền tây nước Mĩ, ở đó nó có thể không bị ràng buộc bởi thời tiết nhiều mây và những điều kiện quan sát nghèo nàn.
Kính thiên văn 24 inch tại Yerkes
George Willis Ritchey (1864-1945)
Ritchey đã làm cho kính thiên văn phản xạ chụp ảnh lớn thành một thiết bị cơ bản của nghiên cứu thiên văn học. Cha của ông là một nhà thiên văn nghiệp dư, người đã bay từ Ireland sang Mĩ trong nạn đói khoai tây hồi giữa thế kỉ 19. Gia đình ông sống ở Cincinnati, ở đó Ritchey học trường đại học Cincinnati. Ông cũng đã học một khóa khoa học đặc biệt và phục vụ làm phụ tá tại Đài quan sát Cincinnati. Ritchey lấy vợ, chuyển đi Chicago, và tiếp tục nghiên cứu của ông về xây dựng kính thiên văn và nhiếp ảnh thiên văn. Ritchey đã gặp giám đốc Đài quan sát Yerkes thuộc trường đại học Chicago, George Ellery Hale. Hale hình dung công việc của một đài quan sát là bao gồm cả việc thử nghiệm các thiết bị. Ông giao cho Ritchey trông nôm cửa hàng quang và mọi việc xây dựng thiết bị tại Đài quan sát Yerkes. Khi Hale thành lập Đài quan sát núi Wilson, Ritchey chuyển tới đó cùng với ông. Sau cùng thì Ritchey cũng bất hòa với Hale và rời khỏi núi Wilson, nhưng không phải trước khi thiết kế xong kính thiên văn 60 inch và 100 inch.
Thiên văn học dời lên đỉnh Wilson
Mùa hè năm 1903, khích lệ trước những báo cáo mà ông nghe được, Hale đến thăm núi Wilson, ngọn núi cao 5700 foot, nhìn xuống tương đối bao quát thành phố Los Angeles và Pasadena. Ông bị cuốn hút bởi những khả năng của vị trí trên đỉnh núi nên ông sớm dời cả gia đình đến Pasadena (sau này ông giữ vai trò nổi bật trong việc thành lập Viện Công nghệ California ở đó) và bắt đầu lên kế hoạch cho cái sẽ trở thành Đài quan sát núi Wilson.
Hoạt động đầu tiên của Hale là xây dựng một chiếc kính thiên văn thiết kế chuyên dụng cho quan sát Mặt Trời trên đỉnh Wilson. Chuyển biến táo bạo của ông được hỗ trợ bởi món tiền tài trợ 300.000 đôla từ Viện Carnegie vào tháng 12 năm 1904 (số tiền ấy có giá trị gấp khoảng 10 lần đồng tiền hiện nay). Núi Wilson không giống như Yerkes hay Đài quan sát Lick, các viên chức và gia đình của họ không thể sống thường xuyên trên núi được. Thay vì vậy, các nhà thiên văn sẽ đến thăm đài quan sát, tiến hành nghiên cứu của họ, và ở tạm trong những căn phòng tiện nghi trở nên nổi tiếng là “phòng tu”. Thời gian còn lại họ làm việc ở trụ sở của Đài quan sát ở Pasadena.
Ngựa được sử dụng để đưa những thiết bị nặng lên “Thử nghiệm mới”, núi Wilson
Hale sớm thuyết phục đươc Viện Carnegie chi thêm tiền cho xây dựng cái sẽ là kính thiên văn phản xạ lớn nhất thế giới. Mẫu kính đó có một cái gương 60 inch do Ritchey thiết kế và chế tạo. Hoạt động của Hale đặt nền móng cho cái sẽ trở thành khuôn mẫu của sự nghiệp của ông – theo đuổi những chiếc kính thiên văn lớn hơn nữa, xin tài trợ từ các viện nghiên cứu hảo tâm, thường xuyên lên kế hoạch trong đầu trong khi những dự án nhỏ khác ông đã bắt tay vào vẫn chưa hoàn thành.
Chiếc kính 60 inch nhìn thấy ánh sáng đầu tiên của nó vào tháng 12 năm 1908 và sang năm 1909 nó là một sự thành công cho thấy có rất nghi ngờ trong tâm
trí của các nhà thiên văn rằng kính thiên văn phản xạ cỡ lớn là thiết bị khoa học của tương lai. Ngay trước khi chiếc kính 60 inch hoàn thành, Hale đã theo đuổi những mục tiêu lớn hơn. Năm 1906, ông thuyết phục được J. D. Hooker, một thương gia Los Angeles giàu có, chi 45.000 đô la làm tiền gieo hạt để đúc và mài một chiếc gương 100 inch.
Thu được đĩa thủy tinh chất lượng cao làm gương trống cho chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới thật không dễ dàng gì. Những nỗ lực đầu tiên của nhà sản xuất St. Gobain ở Pháp đã thất bại, và Hale và Ritchey bắt đầu thấy thất vọng trước việc thu được chất liệu thô thích hợp. Đĩa thủy tinh 100 inch gửi từ Pháp sang Pasadena năm 1908 chứa đầy các bọt nhỏ nhưng, bất chấp sự phản đối của Ritchey, Hale vẫn thuyết phục các chuyên gia ngoan cố bắt đầu mài và đánh bóng nó. Năm 1910, Hale và Hooker thuyết phục được nhà tư bản công nghiệp và nhà hảo tâm Andrew Carnegie đóng góp tiền cho dự án đó. Với ước tính của Hale giá của kính 100 inch khoảng nửa triệu đô la, Carnegie đồng ý tài trợ với điều kiện đặt tên ông cho dự án.
Kính thiên văn 60 inch trên đỉnh Wilson
Đánh bóng một cái gương lớn đến 100 inch là một thách thức lớn đối với Ritchey. Bụi bặm trong xưởng quang phải bị loại khỏi qua các bộ lọc không khí, và chiếc gương không thể nào kiểm tra trong những tháng mùa đông do những biên thiên nhiệt độ ở trong phòng. Phôi tiền gương không được hoàn thành mãi cho đến
cuối năm 1916. Sự trì hoãn là do Mĩ tham gia Thế chiến thứ nhất gây trở ngại cho việc hoàn thành kính thiên văn, và việc lắp đặt kính trên núi Wilson không nhận được chiếc gương khổng lồ mãi cho đến năm 1917. Hoàn thành quyết toán và sau khi lên lịch trình, kính thiên văn đi vào sử dụng đều đặn vào năm 1919. Việc hoàn thành chiếc kính tốn thêm chi phí khác – sự trì hoãn và sự căng thẳng của việc xây dựng chiếc kính đã tiêu tốn nhiều sức khỏe của Hale. Và mâu thuẫn giữa ông và George Ritchey phát sinh, sau khi chiếc kính 100 inch hoàn thành, sự khắc nghiệt đã làm lay chuyển nhà quang học từ trước đến nay vốn cẩn thận, cần cù.
Tuy nhiên, Ritchey không ngừng việc phát triển các mẫu cho kính thiên văn lớn hơn. Năm 1924, ông chuyển sang Pháp và bắt đầu một loạt thí nghiệm chế tạo những chiếc gương khổng lồ. Ritchey được truyền cảm hứng bởi tư tưởng thời kì Cấp tiến và hình dung thấy một loạt đài quan sát trên khắp thế giới có kính thiên văn – ông gọi chúng là những khẩu đại bác Hòa bình – có gương lớn cỡ 400 inch đường kính. Trong khi giấc mơ sau cùng của ông không được hiện thực hóa, thì Ritchey vẫn tiếp tục hình thành nhiều ý tưởng quan trọng cho thiết kế kính thiên văn và hàng thập kỉ sau này trở thành chuẩn trong thiết kế kính thiên văn.
“[Chúng ta] sẽ nhìn lại và thấy thật là không hiệu quả, thật là thô sơ, khi làm việc với những cái gương rắn, dày, những đường cong gương lỗi thời, cách lắp đặt kính thiên văn xích đạo thuộc loại cũ kĩ yêu cầu những mái vòm và tòa nhà khổng lồ, và những dị thường tương tự trong thời kì cấp tiến”.
G. W. Ritchey, 1928
Trong khi đó, trở lại đỉnh Wilson, kính thiên văn 100 inch hầu như có thể thu thập nhiều ánh sáng gấp ba lần kính 60 inch, cho phép các nhà thiên văn như Edwin Hubble và Walter Baade mang đến những thay đổi mang tính cách mạng trong vũ trụ học vài thập niên sau đó.
Hale tiếp tục mơ tới những chiếc kính thiên văn còn lớn hơn nữa. Năm 1928, ông viết một bài báo có ảnh hưởng lớn đăng trên Harper's Monthly Magazine tựa đề “Triển vọng của kính thiên văn cỡ lớn” trở thành loạt đạn mở màn trong chiến dịch của ông muốn nhìn thấy một chiếc kính thiên văn có gương lớn đến 300 inch được hiện thực hóa. Sau khi thuật lại sự thành công mà ông đã trải qua với kính thiên văn 60 inch và 100 inch trên đỉnh Wilson, Hale giải thích rõ ràng triển vọng khoa học của kính thiên văn có gương lớn hơn.
“Ánh sáng sao rơi lên mỗi dặm vuông của bề mặt Trái Đất, và việc tốt nhất chúng ta có thể làm lúc này là thu thập và tập trung các tia sáng rọi vào một vùng đường kính 100 inch… Tôi tin rằng một chiếc kính 200 inch hay cả 300 inch lúc này có thể xây dựng được và sẽ là sự thuận lợi lớn của thiên văn học”.
George Ellery Hale, 1928
Bài báo của Hale mang lại cơ sở cho những thương thuyết với Wickliffe Rose, chủ tịch của các tổ chức hảo tâm liên kết với Rockefeller Foundation, và những nhà tài trợ tiềm năng khác. Thành công rực rỡ đến vào mùa thu năm 1928 khi Ủy ban Giáo dục quốc tế, một tổ chức trực thuộc Rockefeller Foundation, chi 6 triệu đô la cho Caltech xây dựng kính thiên văn 200 inch.Vào lúc ấy, đây là đóng góp lớn nhất từng có dành cho một công trình khoa học. Tuy nhiên, ngay cả số tiền
khổng lồ này vẫn không đủ. Tiền Rockefeller chỉ đủ cho xây dựng kính thiên văn; tiền điều hành chiếc kính thiên văn mới hoạt động vẫn cần phải kiếm thêm, và Hale đã làm việc cật lực để đảm bảo rằng Caltech bòn thêm tiền cho tài sản của mình.
Andrew Carnegie và George Ellery Hale bên cạnh chiếc kính thiên văn trên đỉnh Wilson
Việc thiết kế và xây dựng chiếc kính thiên văn 200 inch là một công việc nhọc nhằn và là một ví dụ lí thú của cái mà các nhà sử học gọi là “Nền khoa học Lớn”. Một loạt ủy ban đã được thành lập để giám sát việc xây dựng các bộ phận khác nhau của kính và cung cấp kĩ thuật và những kĩ năng điều hành cần thiết để nhìn thấy chiếc kính đơm hoa kết trái. Khuyến cáo và nguồn vào của các công ti công nghiệp được tranh thủ bởi Hale và ba thành viên khác của Ủy ban Đài quan sát. Thật vậy, phải làm việc nhóm và thu hút sự chú ý của công nghiệp đã trở thành những đặc trưng đánh dấu việc xây dựng những thiết bị lớn cho thiên văn học từ đó trở về sau.
Các kĩ sư và nhà khoa học xây dựng chiếc kính thiên văn 200 inch đã phải vượt qua nhiều thử thách. Quan trọng nhất trong những thử thách này là siết chặt gọng gương thủy tinh có kích thước vừa đủ. Sau những nỗ lực thất bại từ phía công ti General Electric trong việc chế tạo gương từ thạch anh đun chảy – một quá trình mất hết 3 năm – Hale chấm dứt thí nghiệm đó và dự án chuyển sang sử dụng thủy
tinh chịu nhiệt pyrex do công ti Corning Glassworks ở New York đảm nhận. Đây là một quá trình đầy mạo hiểm và may rủi. Corning không thể nào chế tạo một cái đĩa 200 inch hoàn chỉnh mãi cho đến tháng 12 năm 1934. Việc đổ khuôn khuấy động rất nhiều sự quan tâm của công chúng, sự quan tâm đó vẫn tiếp tục khi mảnh thủy tinh nặng nề được đóng gói và chở bằng xe lửa tới Pasadena để đánh bóng vào năm sau đó.
Việc đổ khuôn và đánh bóng chiếc gương 200 inch đã đẩy các kĩ sư Corning Glass đến tận cùng năng lực của họ
Những đổi mới khác xuất hiện trong lúc kính thiên văn 200 inch được xây dựng. Các kĩ sư đã học được cách tráng những chiếc gương lớn với những lớp kim loại mỏng lắng đọng trong buồng chân không cao. Nhôm được sử dụng, thu được lớp tráng bền hơn so với bạc vốn dễ giảm độ bóng. Năm 1934, sau khi nghiên cứu rộng rãi, vị trí của núi Palomar ở miền nam California được chọn làm địa điểm xây dựng cho chiếc kính 200 inhch. Để chống đỡ cái gương khổng lồ và giàn khung của nó, một cái trụ hình móng ngựa khổng lồ được dựng lên và có thể chống đỡ tới 500 tấn trên một màng mỏng dầu điều áp. Giàn khung phức tạp và hệ thống chống đỡ phải được thiết kế sao cho có thể giữ cho chiếc kính thẳng hàng khi nó hướng lên và dõi theo các vật thể trong bầu trời đêm.
Hale qua đời năm 1938 – những từ cuối cùng của ông nói về sự nghiệp thiên văn của mình là “Thật là một ngày đẹp trời. Mặt Trời tỏa nắng và họ đang làm việc trên đỉnh Palomar”. Việc hoàn thành chiếc kính 200 inch bị trì trệ do Thế chiến thứ hai và những khó khăn kĩ thuật liên quan tới việc đánh bóng chiếc gương kềnh càng