Om du tänker på det var det bara en tidsfråga innan det första teleskopet uppfanns. Människor har fascinerats av kristaller i årtusenden. Många kristaller - till exempel kvarts - är helt transparenta. Andra - rubiner - absorberar vissa ljusfrekvenser och passerar andra. Formning av kristaller till sfärer kan göras genom klyvning, tumling och polering - detta tar bort vassa kanter och rundar ytan. Att dissekera en kristall börjar med att hitta en brist. Skapa en halv sfär - eller kristallssegment - skapar två olika ytor. Ljus samlas av den konvexa frontytan och projiceras mot en konvergenspunkt av den plana bakytan. Eftersom kristallsegment har svåra kurvor kan fokuspunkten vara mycket nära kristallen själv. På grund av korta brännvidd gör kristallsegment bättre mikroskop än teleskop.
Det var inte kristallsegmentet - utan glaslinsen - som gjorde moderna teleskop möjliga. Konvexa linser kom ut ur glasmarken på ett sätt att korrigera synen med synen. Även om både glasögon och kristallsegment är konvexa har långsiktiga linser mindre svåra kurvor. Ljusstrålar böjs bara från parallellen. På grund av detta är den punkt där bilden tar form mycket längre bort från linsen. Detta skapar bildskala som är tillräckligt stor för detaljerad mänsklig inspektion.
Den första användningen av linser för att förstärka synen kan spåras tillbaka till Mellanöstern på 1100-talet. En arabisk text (Opticae Thesaurus skriven av forskaren-matematikern Al-hazen) konstaterar att segment av kristallkulor kunde användas för att förstora små föremål. I slutet av 1200-talet sägs en engelsk munk (eventuellt hänvisa till Roger Bacons Perspectiva från 1267) ha skapat de första praktiska nära-fokusglasögon som hjälpte till att läsa Bibeln. Det var inte förrän 1440 när Nicholas från Cusa markerade den första linsen för att korrigera närsynthet -1. Och det skulle vara ytterligare fyra århundraden innan defekter i själva linsformen (astigmatism) skulle få hjälp av en uppsättning glasögon. (Detta åstadkoms av den brittiska astronomen George Airy 1827 ungefär 220 år efter en annan - mer berömd astronom - Johann Kepler beskrev först exakt linsernas effekt på ljus.)
De tidigaste teleskopen tog form strax efter att glasets slipning blev väl etablerad som ett sätt att korrigera både myopi och presbyopia. Eftersom långsiktiga linser är konvexa gör de goda "samlare" av ljus. En konvex lins tar parallella strålar från avståndet och böjer dem till en gemensam fokuspunkt. Detta skapar en virtuell bild i rymden - en som kan inspekteras närmare med en andra lins. Dyden med en samlingslins är tvåfaldig: Den kombinerar ljus tillsammans (ökar dess intensitet) - och förstärker bildskalan - båda i en grad som är mycket större än ögat ensam kan.
Konkava linser (används för att korrigera närsynthet) tänder ljuset utåt och får saker att se mindre ut för ögat. Ett konkavt objektiv kan öka brännvidden för ögat när ögats eget system (fixerad hornhinnan och morfinglinsen) inte kommer att fokusera en bild på näthinnan. Konkava linser skapar bra okularer eftersom de gör det möjligt för ögat att undersöka den virtuella bilden som gjuts av en konvex lins. Detta är möjligt eftersom konvergerande strålar från en uppsamlingslins bryts mot parallellen av en konkav lins. Effekten är att visa en närliggande virtuell bild som på stort avstånd. En enda konkav lins gör att ögonlinsen kan koppla av som om den är fokuserad på oändligheten.
Att kombinera konvexa och konkava linser var bara en tidsfråga. Vi kan föreställa oss det allra första tillfället som inträffade när barn lekte med linssliparens dagliga slit - eller eventuellt när optikern kände sig kallad att inspektera en lins med en annan. En sådan upplevelse måste ha verkat nästan magisk: Ett avlägset torn vaggar omedelbart som om det närmade sig i slutet av en lång promenad; oigenkännliga figurer ses plötsligt som nära vänner; naturliga gränser - som kanaler eller floder - hoppas över som om Merkurius egna vingar var fästa vid helarna ...
När teleskopet blev, presenterade två nya optiska problem sig. Lätt samla linser skapar böjda virtuella bilder. Den kurvan är något "skålformad" med botten vänd mot observatören. Detta är naturligtvis precis motsatsen till hur ögat själv ser världen. För ögat ser saker som om de är uppbyggda på en stor sfär vars centrum ligger på näthinnan. Så något måste göras för att dra tillbaka perimeter-strålar mot ögat. Detta problem löstes delvis av astronomen Christiaan Huygens på 1650-talet. Han gjorde detta genom att kombinera flera linser tillsammans som en enhet. Användningen av två linser förde mer av de perifera strålarna från en uppsamlingslins mot parallellen. Huygens nya okular släpper effektivt ut bilden och gjorde det möjligt för ögat att uppnå fokus över ett bredare synfält. Men det fältet skulle fortfarande inducera klaustrofobi hos de flesta observatörer i dag!
Det sista problemet var mer överträdande - brytande linser böjer ljus baserat på våglängd eller frekvens. Ju större frekvens, desto mer böjs en viss ljusfärg. Av denna anledning ses inte objekt som visar ljus i olika färger (polykromatiskt ljus) vid samma fokuspunkt över det elektromagnetiska spektrumet. I grund och botten fungerar linser på liknande sätt som prismor - vilket skapar en spridning av färger, var och en med sin unika fokuspunkt.
Galileos första teleskop löste bara problemet med att få noga ögon för att förstora den virtuella bilden. Hans instrument var sammansatt av två linser som kan separeras med ett kontrollerat avstånd för att ställa in fokus. Objektivlinsen hade en mindre svår kurva för att samla ljus och föra den till olika fokuspunkter beroende på färgfrekvens. Den mindre linsen - som hade en svårare kurva med kortare brännvidd - gjorde det möjligt för Galileos observatör att komma tillräckligt nära bilden för att se förstorade detaljer.
Men Galileos omfattning kunde bara fokuseras nära mitten av okularens synfält. Och fokus kunde bara ställas ut baserat på den dominerande färgen som släpptes ut eller reflekterats av vad Galileo tittade på då. Galileo observerade vanligtvis ljusa studier - som månen, Venus och Jupiter - med ett bländarstopp och var stolta över att ha kommit på idén!
Christiaan Huygens skapade den första - Huygenian - okularen efter Galileos tid. Denna okular består av två plano-konvexa linser som vetter mot uppsamlingslinsen - inte en enda konkav lins. Fokusplanet för de två linserna ligger mellan objektivelementen och ögonlinselementen. Användningen av två linser utjämnade bildens kurva - men bara över en grad av grader av synligt synfält. Sedan Huygens tid har okularen blivit mycket mer sofistikerade. Från och med det ursprungliga konceptet med mångfald kan dagens okular lägga till ytterligare ett halvt dussin optiska element som är omarrangerade i både form och position. Amatörastronomer kan nu köpa okular från hyllan vilket ger rimligt plana fält som överstiger 80 grader i uppenbar diameter-2.
Det tredje problemet - det med kromatiskt färgade flerfärgsbilder - löstes inte i teleskopi förrän ett fungerande reflektorteleskop designades och konstruerades av Sir Isaac Newton på 1670-talet. Det teleskopet eliminerade uppsamlingslinsen helt - även om det fortfarande krävde användning av ett eldfast okular (vilket bidrar mycket mindre till "falsk färg" än målet).
Under tiden var tidiga försök att fixera refraktorn helt enkelt göra dem längre. Omfång till 140 fot i längd utformades. Ingen hade särskilt orimliga linsdiametrar. Sådana spindly dynasaurier krävde en verkligt äventyrlig observatör att använda - men "tonade ned" färgproblemet.
Trots att de eliminerade färgfel hade tidiga reflektorer också problem. Newtons omfattning använde en sfäriskt slipad spekulspegel. Jämfört med aluminiumbeläggningen av moderna reflektionsspeglar är spekulatet en svag utförare. Vid ungefär tre fjärdedelar tappar aluminiumets ljusförmåga förmåga, spekulum förlorar ungefär en storlek i ljusgrepp. Således uppförde sex-tumsinstrumentet som Newton tänkte sig mer som en modern 4-tums modell. Men det är inte det som gjorde Newtons instrument svårt att sälja, det gav helt enkelt mycket dålig bildkvalitet. Och detta berodde på användningen av den sfäriskt markerade primära spegeln.
Newtons spegel gav inte alla ljusstrålar till gemensamt fokus. Felet låg inte hos spekulatet - det låg med spegelns form som - om det sträcker sig 360 grader - skulle göra en komplett cirkel. En sådan spegel är oförmögen att föra centrala ljusstrålar till samma fokuspunkt som de som är närmare kanten. Det var först 1740 då Skottlands John Short korrigerade detta problem (för ljus på axeln) genom att parabolisera spegeln. Short åstadkom detta på ett mycket praktiskt sätt: Eftersom parallella strålar närmare mitten av en sfärisk spegel överskottar marginella strålar, varför inte bara fördjupa centrum och tömma dem in?
Först på 1850-talet ersatte silver spekulum som spegelyta. Naturligtvis hade de över 1000 paraboliska reflektorerna som tillverkats av John Short spekulspeglar. Och silver, som spekulum, förlorar reflektionsförmågan ganska snabbt över tiden till oxidation. År 1930 belades de första professionella teleskopema med mer hållbart och reflekterande aluminium. Trots denna förbättring ger små reflektorer mindre ljus i fokus än refraktorer med jämförbar bländare.
Samtidigt utvecklades refraktorer också. Under John Korts tid, räknade optiker ut något som Newton inte hade - hur man får rött och grönt ljus att smälta samman vid en gemensam fokuspunkt genom brytning. Detta åstadkoms först av Chester Moor Hall 1725 och återupptäckte ett kvart århundrade senare av John Dolland. Hall och Dolland kombinerade två olika linser - en konvex och annan konkav. Var och en bestod av en annan glastyp (krona och flint) som bryter ljuset annorlunda (baserat på brytningsindex). Den konvexa linsen i kronglas gjorde den omedelbara uppgiften att samla ljus i alla färger. Detta böjda fotoner inåt. Den negativa linsen spredde den konvergerande strålen något utåt. Där den positiva linsen förorsakade rött ljus över fokus, orsakade den negativa linsen rött för att skjuta ut. Rött och grönt blandades och ögat såg gult. Resultatet var det akromatiska refraktorteleskopet - en typ som många amatörastronomer gynnar idag för billiga, små bländaröppningar, bredfält, men - i kortare fokalförhållanden - mindre än idealisk bildkvalitetsanvändning.
Det var först i mitten av nittonhundratalet som optiker lyckades få blåviolett att gå med i rött och grönt i fokus. Denna utveckling kom ursprungligen från användningen av exotiska material (mjölit) som ett element i dubblettmålen för högdrivna optiska mikroskop - inte teleskop. Tre element teleskopkonstruktioner med standardglastyper - tripletter - löste också problemet 40 år senare (strax före 1900-talet).
Dagens amatörastronomer kan välja mellan ett brett sortiment av omfattningstyper och tillverkare. Det finns ingen räckvidd för alla himmel-, ögon- och himmelstudier. Frågor om fälthenhet (särskilt med snabba Newtonian-teleskop) och stora optiska rör (förknippade med stora refraktorer) har tagits upp av nya optiska konfigurationer som utvecklats på 1930-talet. Instrumenttyper - såsom SCT (Schmidt-Cassegrain-teleskop) och MCT (Maksutov-Cassegrain-teleskop) plus Newton-Esque Schmidt- och Maksutov-varianter och sneda reflektorer - tillverkas nu i USA och över hela världen. Varje omfattningstyp utvecklats för att hantera ett giltigt problem eller annat relaterat till omfattningsstorlek, bulk, fältets planhet, bildkvalitet, kontrast, kostnad och portabilitet.
Samtidigt har refraktorer tagit centrum bland optofiler - folk som vill ha högsta möjliga bildkvalitet oavsett andra begränsningar. Helt apokromatiska (färgkorrigerade) refraktorer ger några av de mest fantastiska bilderna som är tillgängliga för optisk, fotografisk och CCD-avbildning. Men tyvärr är sådana modeller begränsade till mindre öppningar på grund av väsentligt högre materialkostnader (exotiska lågdispersionskristaller och glas), tillverkning (upp till sex optiska ytor måste formas) och större belastningsbehov (på grund av tunga glasskivor) ).
Alla dagens variationer i omfattningstyper började med upptäckten att två linser med ojämn krökning kunde hållas upp till ögat för att transportera människans uppfattning över stora avstånd. Liksom många stora tekniska framsteg framkom det moderna astronomiska teleskopet av tre grundläggande ingredienser: Nödvändighet, fantasi och en växande förståelse för hur energi och materia interagerar.
Så var kom det moderna astronomiska teleskopet ifrån? Visst gick teleskopet genom en lång period av ständig förbättring. Men kanske, bara kanske, är teleskopet i grunden en gåva från universum själv som präglas av djup beundran genom mänskliga ögon, hjärtan och sinnen ...
-1 Det finns frågor om vem som först skapade glasögon som korrigerade vid- och närsynt vsion. Det är osannolikt att Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham eller Roger Bacon någonsin använde en lins på detta sätt. Att förvirra frågan om härkomst är frågan om hur glasögon faktiskt bärs. Det är troligt att den första visuella hjälpen helt enkelt hölls för ögat som en monokel - nödvändighet att ta över därifrån. Men skulle en sådan primitiv metod historiskt berättas som "skådespelets ursprung"?
-2 En viss okulars förmåga att kompensera för en nödvändigt krökt virtuell bild begränsas i grund och botten av effektiv fokalförhållande och omfattningsarketektur. Således är teleskop vars brännvidd är många gånger deras bländare mindre än en omedelbar kurva vid "bildplanet". Samtidigt har områden som först bryter ljus (katadioptik såväl som brytare) fördelen att bättre hantera ljus utanför axeln. Båda faktorerna ökar den projicerade bildens krökningsradie och förenklar okularens uppgift att presentera ett plant fält för ögat.
Om författaren:
Inspirerat av det tidiga 1900-talets mästerverk: "The Sky Through Three, Four, and Five Inch Telescope" fick Jeff Barbour en start inom astronomi och rymdvetenskap vid sjunde års ålder. För närvarande ägnar Jeff mycket av sin tid åt att observera himlen och underhålla webbplatsen Astro.Geekjoy.
