تلسکوپ بازتابی – جلسه اول

اهداف: آشنایی با تاریخچه تلسکوپ - آشنایی با ویژگی های هر تلسکوپ - آشنایی با انواع تلسکوپ و نحوه عملکرد آنها

وسایل مورد نیاز: یک عدد عدسی چشمی - عدسی شیئی

1-1 تاریخچه
تلسکوپ ابزاری است که به کمک چشمان بشر آمده تا امکان مشاهده و درک هر چه بیشتر کاینات را برای او فراهم آورد. بشر محدود در حصار نامرئی زمان – مکان، به واسطه تلسکوپ قادر است تا اعماق آسمان و در دل زمان سفر کند.
پیشینه ساخت تلسکوپ به سال 1608 میلادى برمی‌گردد، زمانی که هانس لیپرشی، عینک ساز با استعدادی كه در هلند کار می‌کرد، به طور اتفاقی دریافت که اگر دو عدسی را در فاصله ای معین قرار دهد و با آن به جسمی که در فاصله ای دور قرار دارد نگاه کند آن جسم بزرگ‌تر دیده می شود.

یك سال بعد یعنی در سال 1609 میلادی، درست چهارصد سال پیش، اولین رصد تلسکوپی آسمان از سوی گالیله با تلسکوپ دست ساز خود به ثبت رسید که نقطه‌ی عطفی نه تنها در دانش اختر شناسی که در درک انسان از جایگاه خود در کیهان به شمار می‌رود.

هرچند تلاش های دانشمندانی چون بطلمیوس، ابوالوفا بوزجانی ابن هیثم، خواجه نصیرالدین طوسی و ... که نقش بی نظیری در تاریخ علم داشته اند را نمی توان نادیده گرفت. بزرگنمایی اولین تلسکوپ گالیله حدود ۳ برابر بود ولی بعدها توانست تلسکوپی با بزرگنمایی ۳۰ برابر نیز بسازد. با این وجود تلسکوپ‌های گالیله کیفیت بالایی نداشتند و دلیل آن مشکل بودن ساخت عدسی و هم چنین وجود شیشه های نامرغوب بود.

تلسکوپ گالیله

تا اینکه در سال 1688 میلادی اسحاق نیوتن، دانشمند انگلیسی توانست سیستم نوری جدیدی را پایه ریزی کند که بعد ها تلسکوپ بازتابی یا نیوتنی نام گرفت. نیوتن در تلسکوپ خود به جای عدسی از آینه استفاده کرد. آینه‌ی اولین تلسكوپ نیوتن قطری حدود 5 سانتی‌متر داشت. چهار سال بعد فردی به نام لورنت کاسگرین طرح جدیدی را برای تلسکوپ نیوتون ارایه کرد ولی طرح کاسگرین مورد استقبال قرار نگرفت، سال‌ها بعد دانشمندان به اهمیت این نوع تلسکوپ‌ پی بردند و ساخت آن رواج یافت. پس از این اختراعات، تلسکوپ ها روز به روز پیشرفت کردند و از کیفیت بهتری برخوردار شدند. کم کم امکانات بیشتری به تلسکوپ ها اضافه شد و کارخانه‌های ساخت ابزار آلات نجومی پا به عرصه حیات نهادند. با وجود این هنوز هم بسیاری از ستاره شناسان تلسکوپ‌شان را خودشان می سازند و از دیدن اجرام آسمانی توسط تلسکوپ دست ساز خود لذت می برند. در ادامه با وی‍‍‍ژگی‌های هر تلسکوپ آشنا خواهیم شد.

1-2 ویژگی‌های تلسکوپ 
هر تلسکوپ دارای سه ویژگی مهم است:

1-2-1 افزایش میزان نوری که از جسم ساطع می شود (توان جمع آوری نور): 
یکی از ویژگی های مهم تلسکوپ این است که نور ساطع شده از یک جسم یا ستاره را جمع آوری کرده و به هم می فشرد، سپس به صورت تابه باریکی در می‌آورد تا به چشم ما برسد. این امر باعث افزایش روشنی ظاهری جسم می‌شود.

توان جمع آوری نور یك تلسكوپ

توان جمع‌آوری نور، به قطر عدسی شیئی (عدسی که به سمت جسم گرفته می شود) بستگی دارد. به عبارت دیگر می‌توان گفت توان جمع آوری نور در تلسكوپ با مجذور قطر عدسی شیئی متناسب است. قطر مردمک چشم ما هنگام شب تقریباً 6 میلی‌متر است ولی تلسکوپی با قطر شیئی24 میلی‌متر (4 برابر قطر چشم)، 16=4² بار بیش از چشم انسان نور جمع‌آوری می‌کند. توان جمع‌آوری نور در یک تلسکوپ از طریق رابطه زیر به دست می‌آید:

(توان جمع‌آوری نور = قطر عدسی شیئی تقسیم بر 6 و کل عبارت به توان 2)

در این رابطه قطر عدسی شیئی بر حسب میلی متر است.

1-2-2 افزایش قدرت تفکیك نقاط نورانی تشکیل دهنده جسم (توان تفكیك):
توان تفکیک در تلسكوپ به این معنا است که جزییات تشکیل دهنده جسم واضح‌تر دیده شوند. هر چه توان تفکیک تلسکوپ بیشتر باشد جزییات جسم واضح‌تر دیده خواهد شد. بنابراین هنگام مشاهده یک نقطه‌ی نورانی در آسمان با چشم غیرمسلح، آن نقطه، یک ستاره به نظر می‌آید، ولی هنگام مشاهده با تلسکوپی که توان تفکیک بالا دارد، ممکن است آن نقطه نورانی به دو یا چند ستاره تفکیک شود.

قدرت تفكیك چشم

دو نقطه‌ی نورانی، مثلاً دو شمع را در نظر بگیرید. در فاصله‌ی چند متری این دو شمع به صورت چشمه‌های نور جدا از یکدیگر به نظر می‌رسند، با بیش‌تر شدن فاصله، دو چشمه نور، یکی شده و به صورت نقطه‌ی نورانی نسبتاً محو و غیر واضح به نظر می‌آیند. توان تفکیک چشم معمولی انسان 6 دقیقه قوس است. بنابراین هرگاه زوایه‌ای که دو چشمه نور در چشم می‌سازند کم‌تر از 6 دقیقه باشد نمی توان با چشم غیر مسلح آنها را از یكدیگر تفکیک داد. به شكل فوق دقت كنید. هرگاه زاویه‌ی A ، كم‌تر از 6 دقیقه قوس باشد،‌ چشم، آنها را چون دو نقطه متمایز از هم تشخیص نمی‌دهد. 
توان تفکیک یک تلسکوپ به قطر عدسی شیئی بستگی دارد که از فرمول زیر به دست می آید:

(توان تفکیک = 12.5 تقسیم بر قطر عدسی شیئی)

در این فرمول قطر عدسی بر حسب سانتی‌متر در نظر گرفته می‌شود و توان تفکیک بر حسب ثانیه‌ی قوس به دست می‌آید. 
نكته: دقیقه‌ی قوس واحدی است در زاویه که معادل یک شصتم یک درجه است. ثانیه‌ی قوس نیز برابر با یک شصتم دقیقه قوس می‌باشد. مقادیر کم‌تر مانند میلی ثانیه قوس نیز وجود دارد که کاربرد کم‌تری دارد. جدایی زاویه ای ستاره‌های دوتایی و قدرت تفکیک تلسکوپ‌ها بر اساس این واحد بیان می شود.

1-2-3 بزرگ نمودن زاویه ظاهری دیده شدن جسم (توان بزرگ نمایی): 
از دیگر ویژگی های اصلی تلسکوپ بزرگ نمودن زوایا است، زوایایی که اشیاء مشاهده شده تحت آن رویت می‌شوند كه به آن بزرگ نمایی زاویه‌ای گفته می‌شود. بزرگنمایی زاویه‌ای تنها بزرگنمایی‌ای است که یک تلسکوپ انجام می‌دهد. افزایش زاویه‌ی تصور سبب می شود جسم نزدیک‌تر به نظر آید. به شکل زیر توجه نمایید.

بزرگنمایی زاویه ای تلسكوپ

به تصویر فوق دقت نمایید، اگر جسمی با چشم غیر مسلح تحت زاویه‌ی 3 درجه دیده شود و با تلسکوپ تصویر آن تحت زاویه‌ 45 درجه رویت شود، بزرگنمایی 15 مرتبه است. توان بزرگنمایی هر تلسکوپ به فاصله ی کانونی عدسی شیئی (عدسی که به سمت جسم گرفته می شود) و به فاصله ی کانونی عدسی چشمی (عدسی که نزدیک چشم قرار می‌گیرد) بستگی دارد، که با فرمول زیر بیان می شود.

(بزرگنمایی تلسکوپ = نسبت فاصله کانونی عدسی شیئی به عدسی چشمی)

1-3 انواع تلسکوپ
تلسکوپ ها به سه دسته کلی شکستی، بازتابی و شکستی - بازتابی تقسیم می شوند، که به شرح زیر می‌باشد:
1-3-1 تلسکوپ شکستی ( گالیله ای)
این تلسکوپ‌ها از دو عدسی شیشه ای تشکیل می شوند. عدسی که به سمت جسم است، عدسی شیئی و عدسی که نزدیک چشم قرار می گیرد تا ناظر از آن تصویر را مشاهده کند، عدسی چشمی نام دارد. به شكل زیر دقت نمایید. عدسی شیئی نوری را که از جسم وارد می شود، می شکند و در صفحه کانونی جمع می کند، با این عمل تصویری از جسم به وجود می آورد. عمل عدسی چشمی بزرگ نمودن تصویر به دست آمده است و تصویر نهایی از جسم را نشان می دهد. به دلیل تلاش ها و اکتشافات گالیله در این زمینه، این نوع تلسکوپ ها به تلسکوپ گالیله ای معروف است.

تلسکوپ های شکستی نسبت به انواع دیگر تلسکوپ ها، قابلیت دید وسیع تری دارند و وضوح تصویری که از عدسی ها به دست می‌آید بیشتر است.

1-3-2 تلسکوپ بازتابی (نیوتنی)
این نوع تلسکوپ ها همگی بر اساس انعکاس نور از یک آینه مقعر (آینه اولیه) طراحی می شوند. اولین نمونه از یک تلسکوپ بازتابی را فردی بنام جیمز گریگوری اهل اسکاتلند طراحی کرد. در سال 1668 میلادی آیزاک نیوتن نخستین تلسکوپی را که خود طراحی کرده بود با استفاده از یک آینه مقعر، یک آینه تخت با زاویهء 45 درجه و یک عدسی چشمی ساخت و با آن به رصد پرداخت. به همین دلیل به این نوع تلسکوپ ها، نیوتنی نیز گفته می شود. 
بزرگنمایی در این تلسکوپ‌ها بر اساس آینه مقعر انجام می‌شود که روی آن پوششی از آلومینیوم یا نقره دارد. در این نوع تلسکوپ ها پرتوهای نور پس از ورود به تلسکوپ توسط آینه مقعر به نزدیکی دهانه تلسکوپ باز می‌گردند و از آنجا توسط یک آینه یا منشور به سمت چشمی تلسکوپ بازتابیده می‌شوند. تلسکوپ‌های نیوتونی عموماً طول بلندی دارند، همچنین پس از مدتی نیاز به تمیز کردن آینه، و پس از آن بسته به کیفیت روکش آلومینیوم آینه، نیاز به تجدید روکش دارند.

مزیت تلسکوپ های بازتابی حذف کامل خطای رنگی است، چرا که هیچ نوری از درون شیشه عبور نمی کند و فقط از روی آینه بازتابش می شود. همچنین شیوه تراش آینه و امکان نصب آن، ساده تر از سایر انواع تلسکوپ ها است.
نکته: همان‌طور که می دانید نور سفید دارای طول موج های مختلف می باشد كه هنگام عبور از عدسی به دلیل ضریب شکست شیشه برای طول موج های مختلف نور، باعث ایجاد کانون های مختلف می شود که به آن خطای رنگی گفته می شود. به تصویر زیر توجه نمایید.

خطای رنگی در عدسی شیئی

1-3-3 تلسکوپ شکستی- بازتابی (کاتادیوپتریک)
نخستین تلسکوپ شکستی- بازتابی را لورنت کاسگرین طراحی کرد، سیستمی که برای تشکیل تصویر از یک عدسی و یک آینه به صورت همزمان استفاده شد. تلسکوپ های کاسگرین شامل یک آینه مقعر که مرکز آن سوراخ شده، یک آینه محدب کوچک‌تر که قبل از نقطه کانون آینه اولیه قرار می گیرد و یک عدسی چشمی می باشد. یکی از راه های تصحیح عیب های آینه اولیه در تلسکوپ های بازتابی، شکستی و شکستی- بازتابی قرار دادن تیغه ای شیشه ای است. به این عدسی یا تیغه، تیغه اشمیت می گویند. ترکیب این تیغه با تلسکوپ‌های بازتابی، نمونه ای از تلسکوپ را به وجود می آورد که به آن اشمیت- کاسگرین، اشمیت- نیوتونی یا ... می گویند.

از مزایای این نوع تلسکوپ می توان به کوتاه بودن طول لوله آن اشاره کرد (كوتاه تر از لوله‌ی تلسكوپ بازتابی). از این رو برای رصدهای بیرون از شهر و حمل و نقل، بسیار مناسب اند.

نکته: تصاویر مربوط به انواع تلسکوپ را مشاهده نمایید. در قسمتی كه به عنوان چشمی آمده، می توان گفت، کار چشمی بزرگ نمودن تصویر ایجاد شده توسط عدسی یا آیینه اصلی تلسکوپ است .عدسی چشمی در تلسکوپ‌های اولیه شامل یک عدسی بوده ولی امروزه معمولا"به‌صورت ترکیبی از عدسی‌های کوچک می باشد که یا بهم چسبیده اند یا در فاصله اندکی از هم درون لوله‌ی کوچک به عنوان بدنه عدسی چشمی قرار گرفته اند.

نمونه هایی از چشمی در اندازه‌های مختلف

1-3 پایه و استقرار
بعد از آشنایی با انواع تلسکوپ باید بدانیم یکی از مهم ترین قسمت های یک تلسکوپ پایه‌ی آن است. هر تلسكوپ باید بر روی وسیله ای قرار گیرد تا بتوان آن را به جهات مختلف آسمان نشانه رفت. به این وسایل پایه و استقرار می گویند. جنس پایه ممکن است از فلز یا چوب باشد و قابلیت تحرک داشته باشد که به این پایه ها، پایه های متحرک می‌گویند و یا می‌تواند از جنس فلز یا بتون باشد که به‌طور ثابت بر روی زمین نصب می‌شود که به این مدل ها، پایه های ثابت گفته می‌شود.

استقرار‌ها را می توان نوعی روش قرارگیری لوله تلسکوپ نامید یا وسیله ای كه بر روی پایه (بین پایه و تلسکوپ) قرار گیرد تا با استفاده از آن بتوان لوله تلسکوپ را در جهات مختلف چرخاند. به طورکلی استقرارها به دو دسته سمت- ارتفاعی و استوایی تقسیم می شوند.

در استقرار سمت- ارتفاعی، تلسکوپ توانایی حرکت 360 درجه در سمت (افق دور تا دور) و 180 درجه (از0 تا 90 درجه و برعکس) در ارتفاع را دارد. اما اگر یکی از محورهای استقرار تلسکوپ را به گونه ای تنظیم کنیم که در امتداد محور زمین قرار گیرد به صورتی که تلسکوپ بتواند به آسانی حول این محور بچرخد، می توان چرخش زمین به دور خود را فقط با چرخش یک محور خنثی کرد و یک ستاره را برای مدت طولانی در میدان دید نگه داشت. به این نوع استقرار، استقرار استوایی می گوییم. برای اطلاع بیشتر در زمینه پایه و استقرار ها و دیدن تصاویر آنها به سایت معرفی شده مراجعه نمایید.

_ یک تصویر یا شیئی را در فاصله نسبتاً دور در نظر بگیرید، سپس عدسی های چشمی و شیئی که در اختیار دارید را در فاصله معینی از یکدیگر قرار دهید، این فاصله را با جلو و عقب بردن عدسی ها تنظیم کنید تا تصویری واضح و بزرگ تر از شیئی که در نظر گرفته اید به دست آورید. نحوه عملکرد این دو عدسی مشابه کدام نوع تلسکوپ است؟

تکلیف 1: توان تفکیک و توان جمع آوری نور در وسیله ساده ای که ساخته اید، محاسبه نموده و پاسخ را برای ما ارسال نمایید.

تكلیف 2: همان طور كه می‌دانید عدسی ها در بزرگ نمودن اجسام و ساخت تلسكوپ نقش مهمی بر عهده دارند. در مورد انواع عدسی و نحوه كار آنها تحقیق كنید و نتیجه را همراه با تصویر عدسی‌ها برای ما ارسال نمایید.

محل بازدید/اردو/خرید: برای این جلسه می‌توانید از رصد خانه‌ها و مراکز ستاره شناسی شهرتان بازدید نمایید. بررسی کنید تلسکوپ‌های موجود در رصد خانه‌ای که بازدید نمودید جزء کدام نوع تلسکوپ است. از مسئول مربوطه بخواهید در مورد اطلاعات تلسکوپ برایتان توضیح دهد.

منابع مطالعه: برای اطلاع بیشتر در مورد تاریخچه نجوم، تلسکوپ و انواع آن می‌توانید به منابع زیر مراجعه نمایید.

- کتاب نگاهی به تاریخ ریاضیات و نجوم در ایران/ نویسنده: یونس کرامتی/ نشر امیر کبیر که در قطع جیبی است.
- کتاب گالیلو گالیله از سری کتاب‌های پیشگامان علم/ نویسنده: مایکل وایت/ مترجم محمد رضا افضلی/ انتشارات فاطمی
-کتاب تاریخ نجوم در ایران/ نوشته حمیدرضا گیاهی یزدی/ انتشارات دفتر پژوهش‌های فرهنگی
- برای اطلاع بیش‌تر در مورد انواع استقرار، به سایت انگلیسی زبان زیر مراجعه نمایید.

http://www.astronomyasylum.com/telescope_mounts.html

- برای اطلاع بیشتر در زمینه ( آینه، عدسی ها و منشورمی توانید از نرم افزار آموزشی فیزیک(بخش نور) استفاده نمایید.

- برای خرید این نرم افزار می توانید به سایت زیر مراجعه فرمایید.

http://www.tebyan.net/index.aspx?pid=873&productID=24043&shopID=1&DollarSale=0