تلسکوپ بازتابی

مقدمه

پرونده:Newtontelescope.png

بعد از مشکلاتی که برای تلسکوپ های شکستی مطرح شد، فیزیکدان بسیار معروف، اسحاق نیوتن در سال 1672 ، شروع به ساخت تلسکوپی دیگر که به جای عدسی در آن از آینه استفاده شد، کرد. به این نوع تلسکوپ ها، تلسکوپ نیوتنی می گویند که ساده ترین و در عین حال ارزان ترین نوع تلسکوپ های بازتابی است. منظور از ارزانی یعنی به ازای افزایش قطر دهانه و افزایش کیفیت، قیمت کمتری را خواهیم پرداخت. رایج‌ترین نوع تلسکوپ در تحقیقات اخترفیزیکی، تلسکوپ آینه‌ای یا بازتابی است. سطح جمع‌کننده‌ی نور، یک آینه می‌باشد که با لایه‌ای نازک از آلومینیوم پوشانده شده است. شکل آینه معمولاً سهموی است. یک آینه سهموی تمام پرتوهای نور را که به صورت موازی با محور اصلی وارد تلسکوپ می‌شود، به یک نقطه کانونی منعکس می‌کند. تصویری را که در این نقطه تشکیل می‌شود می‌توان با یک عدسی چشمی مشاهده کرد، یا به کمک یک آشکارساز ثبت نمود. در تلسکوپ‌های بازتابی، ابیراهی رنگی وجود ندارد، زیرا تمام طول‌موج‌ها به یک نقطه بازتابش می‌شوند؛ و این یکی از مزایای این نوع تلسکوپ‌ها است.

در تلسکوپ‌های خیلی بزرگ، رصدکننده می‌تواند به همراه تجهیزاتش در یک قفس مخصوص در کانون اولیه بنشیند، بدون اینکه نور زیادی را سد کند. در تلسکوپ‌های کوچک‌تر، این کار ممکن نیست و باید تصویر را از بیرون تلسکوپ مورد مطالعه قرار داد. در تلسکوپ‌های مدرن، تجهیزات از دور کنترل می‌شود و رصدکننده باید دور از تلسکوپ بماند تا آشفتگی حرارتی کاهش یابد.

در سال ۱۶۶۳ ، جیمز گریگوری (James Gregory ) طرحی از یک تلسکوپ بازتابی را ارائه داد. با وجود این، عملاً نخستین بازتابی به‌وسیله‌ی آیزاک نیوتون (Isaac Newton ) ساخته شد. او نور را با کمک یک آینه‌ی تخت کوچک به بیرون تلسکوپ هدایت کرد. به همین دلیل کانون تصویر در این‌چنین سیستمی به کانون نیوتونی (Newtonian Focus ) معروف است. نسبت کانونی در تلسکوپ نیوتونی نوعاً بین f/3 تا f/10 می‌باشد. یک امکان دیگر این است که سوراخی در وسط آینه‌ی اولیه ایجاد شود؛ سپس با استفاده از یک آینه‌ی ثانویه‌ی کوچک که هذلولوی است و در سر جلو تلسکوپ قرار دارد، نور را به درون این سوراخ منعکس نمود. در این طرح، پرتوهای نور در کانون کاسگرین (Cassegrain Focus ) به هم می‌رسند. نسبت کانونی در تلسکوپ‌های کاسگرین بین f/8 تا f/15 است.

پرونده:Cassegrain-Telescope.svg

مسیر نور در تلسکوپ بازتابی کاسگرین

در سیستم‌های پیچیده‌تر، نور به‌وسیله‌ی چندین آینه و از میان محور مِیل تلسکوپ به یک کانون ثابت، موسوم به کانون کوده ، هدایت می‌شود. این کانون می‌تواند حتی در یک اتاق مجزا، نزدیک به تلسکوپ باشد. به همین دلیل طول کانونی کوده خیلی بلند، و نسبت کانونی‌ آن f/30 تا f/0 است. بیش‌ترین استفاده از کانون کوده در طیف‌سنجی دقیق است، چرا که طیف‌نگارهای بزرگ می‌توانند ساکن باشند و دمای آن‌ها را نیز با دقت خوبی ثابت نگه داشت. یک ایراد این سیستم آن است که مقدار زیادی از نور در بازتاب‌های بین آینه‌ها از دست می‌رود. یک آینه‌ با پوشش آلومینیوم حدود ۸۰٪ نور را منعکس می‌کند، بنابراین در یک سیستم کوده با مثلاً پنج آینه (شامل آینه‌های اولیه و ثانویه) تنها ۳۰٪ نور به آشکارساز می‌رسد.

پرونده:Schmidt telescope (PSF).svg

مسیر پرتوهای نور درون دوربین اشمیت

تلسکوپ بازتابی یک ابیراهی مخصوص به خود دارد که به گیسو (Coma) معروف است. این ابیراهی بر تصاویری که از محور اصلی فاصله دارند تأثیر می‌گذارد. پرتوهای نور در یک نقطه همگرا نمی‌شوند، بلکه شکلی مانند دنباله‌دار می‌سازند. به دلیل ابیراهی گیسو، در تلسکوپ‌های بازتابی کلاسیک که یک آینه‌ی سهموی دارند، میدان دید قابل استفاده بسیار محدود است. این ابیراهی، قطر مفید میدان را، بسته به نسبت کانونی تلسکوپ، به ۲ تا ۲۰ دقیقه قوسی محدود می‌کند. برای نمونه، میدان دید مفید در تلسکوپ ۵ متری پالومار حدود ۴ دقیقه قوسی است، یعنی نزدیک به یک هشتم قطر ماه. در عمل، این میدان دید کوچک را با عدسی‌های گوناگونی تصحیح می‌کنند.

اگر آینه‌ی اولیه کروی بود، ابیراهی گیسو وجود نداشت. اما این نوع آینه نیز یک خطای مخصوص به خود دارد که به ابیراهی کروی (Spherical Aberration) معروف است. علت این ابیراهی آن است که پرتوهای نوری که از مرکز و لبه‌ی جسم می‌رسند در نقاط متفاوتی متمرکز می‌شوند. برای حذف این ابیراهی، ستاره‌شناس استونیایی برنهارد اشمیت یک عدسی تصحیح کننده‌ی نازک را ابداع نمود که در مسیر نور ورودی قرار می‌گرفت. دوربین‌های اشمیت از یک میدان دید وسیع (حدود ۷ درجه) و تقریباً بدون نقص سود می‌برند. عدسی تصحیح کننده آنقدر نازک است که نور چندانی را جذب نمی‌کند. تصویر ستارگان در این دوربین بسیار واضح است.

در تلسکوپ اشمیت، عدسی تصحیح کننده در مرکز شعاع انحنای آینه قرار داده می‌شود (این شعاع دو برابر فاصله‌ی کانونی است). برای جمع‌آوری تمام نور از لبه‌ی میدان دید، قطر آینه باید از قطر عدسی تصحیح کننده بیش‌تر باشد. برای مثال، در دوربین اشمیت پالومار، قطر دهانه (عدسی تصحیح کننده) ۱۲۲cm، قطر آینه ۱۸۳cm و طول کانونی ۳۰۰cmاست. بزرگ‌ترین تلسکوپ اشمیت جهان در توتنبرگ آلمان قرار دارد و مقادیر آن به ترتیب از این قرار است: ۱۳۴cm (قطر دهانه)، ۲۰۲cm (قطر آینه)، و ۴۰۰cm (طول کانونی).

پرونده:Schmidt-Cassegrain-Telescope.svg

مسیر نور در تلسکوپ اشمیت-کاسگرین

صفحه‌ی کانونی خمیده در تلسکوپ اشمیت، که قسمتی از یک کره است، از معایب آن به حساب می‌آید. در هنگام استفاده برای عکاسی، صفحه‌ی عکاسی را باید منطبق بر سطح خمیده‌ی کانونی خم کرد. با استفاده از یک عدسی تصحیح کننده‌ی اضافی نزدیک به صفحه‌ی کانونی، می‌توان انحنای میدان دید را اصلاح نمود. این راه حل به‌وسیله‌ی ستاره‌شناس فنلاندی، ایرجو وَیزَلا (Yrjö Väisälä ) ، در دهه‌ی ۱۹۳۰ و به‌صورت مستقل از اشمیت ارائه گردید. دوربین اشمیت وسیله‌ای بسیار کارآمد در نقشه‌برداری آسمان است. از این دوربین در عکس‌برداری‌های انجام گرفته در اطلس آسمان پالومار که در فصل قبل[کتاب مبانی ستاره‌شناسی] به آن اشاره کردیم استفاده شده است؛ و همچنین در ادامه این اطلس، یعنی اطلس آسمان جنوبی (The ESO/SRC Southern Sky Atlas ).

دوربین اشمیت نمونه‌ای از یک تلسکوپ کاتادیوپتریک (Catadioptric Telescope ) است. در این نوع تلسکوپ، هم از عدسی و هم از آینه استفاده می‌شود. بسیاری از آماتورها از تلسکوپ اشمیت-کاسگرین (Schmidt–Cassegrain Telescope ) استفاده می‌کنند که نوع اصلاح شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای از دوربین اشمیت است. در این تلسکوپ، آینه‌ی ثانویه در وسط عدسی تصحیح کننده سوار می‌شود. این آینه، تصویر را از میان روزنه‌ای در آینه‌ی اولیه به بیرون بازتابش می‌کند. به همین دلیل، علیرغم کوتاه بودن خود تلسکوپ، طول کانونی مؤثر می‌تواند نسبتاً بلند باشد. نوع دیگری از تلسکوپ کاتادیوپتریک که رایج هم هست، تلسکوپ مکسوتوو (Maksutov Telescope )می‌باشد. در این تلسکوپ، سطح عدسی تصحیح کننده و سطح آینه‌ی اولیه، هر دو، کره‌های هم‌مرکز هستند.

روش دیگر حذف ابیراهی گیسو، استفاده از آینه‌هایی با سطوح پیچیده‌تر است. در سامانه ریچی-کریتین (Ritchey–Chrétien System )، آینه‌های اولیه و ثانویه هذلولی‌گون هستند و بدین ترتیب یک میدان دید نسبتاً وسیع و مفید به‌دست می‌آید. اپتیک ریچی-کریتین در بسیاری از تلسکوپ‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نقره اندود كردن اینه

بر خلاف اینه های خانگی بر روی اینه تلسكوپ یعنی بر سطح كاو ان یك لایه نقره اندود قرار داده میشود و شیشه صرفا تكیه گاه نقره به شمار میرود.قرار گرفتن نقره بر سطح پیشین شیشه جذب نور را از بین میبرد.نور از شیشه نمیگذرد و بر اثر جذب قسمتی از شدت خود را از دست نمیدهد.اشكال كار این است كه لایه نقره بیحفاظ پس از مدتی كدر میشود و باید هر از چند گاه اینه را مجددا نقره اندود كرد.

در سال های اخیر فرایند الومینیومی كردن به تدریج جانشین نقره اندود كردن شده است.اخیرا پی بردند كه بخار الومینوم چون بر شیشه بنشیند سطح درخشانی را پدید میاورد كه از بسیاری لحاظ بر سطح نقره ای برتری دارد.اندودن باید در خلا انجام گیرد.الومینیومی كه به این طریق اندود شود كدر نمیشود.در نخستین برخورد با هوا رویان را لایه نازك شفاف و بسیار سختیاز اكسید الومینیوم میپوشاند كه الومینیوم زیری را از هر بر هم كنشی با هوا مانع میشود.

خصیصه برتر دیگر اندود الومینیوم ان است كه نور فرابنفش را منعكس میكند.نقره منعكس كننده بسیار بدی برای این اشعه كوتاه موج است.ولی نقره نور سرخ را بهتر منعكس میكند.نقره به طور كلی از نظر بازتاب تا حدی بهتر است.نقره در بهترین شرایط 95 درصد كل نور و الومینیوم فقط 90 درصد ان را منعكس میكند.

طرح نور شناختی تلسكوپ

اینه در انتهای تحتانی لوله سوار میشود. نور بازتابیده تصویر را در وسط اشعه ورودی تشكیل میدهد. برای Hن كه بتوان این تصویر را مشاهده كرد باید ان را نقل مكان داد.معمولا این كار به یكی از دو راه زیر كه به وسیله نیوتون هم عصر فرانسوی اش كاسگرن ابداع شده اند انجام میشود.

در روش نیوتون اشعه همگرای نور پیش از رسیدن به صفحه كانونی به وسیله اینه ای تخت قطع میشود.این اینه اشعه را از بدنه لوله به چشمی هدایت میكند.در پاره ای موارد به جای اینه منشور منعكس كننده به كار میرود.

در روش كاسگرن اینه ای كوژ كار منحرف كردن نور را انجام میدهد.شعاع های همگرا توسط اینه ای كوژ قطع میشود و از سوراخی كه در اینه شیئی ایجاد شده است به كانون اورده میشود.یكی از امتیازات این روش قابلیت انعطاف در فاصله كانونی شیئی است.چون مجموعه كاملی از اینه های كوژ به همراه شیئی به كار رود فواصل كانونی متعددی در اختیار ما قرار میگیرد.برخی از تلسكوپ های بازتابی هم به سیستم نیوتونی و هم به سیستم كاسگرین مجهز است.

اینه با منشور كوچك لا جرم مانع قسمتی از نور ورودی میشود.این كاهش نور نسبتا اندك است و كسر بسیار كوچكی از كل نور را تشكیل می دهد كه بر شیئی میتابد.این مانع را نمیتوان در چشمی دید و همانطور كه میتوان حدس زد مزاحم تصویر نمیشود.

منبع

• کتاب مبانی ستاره‌شناسی/هانو کارتونن و همکاران/ مترجم: غلامرضا شاه‌علی [۱] [۲]
• كتاب نجوم به زبان ساده
• ویکی پدیای فارسی