Các nguyên lý cơ bản của kính thiên văn cho người mới

Đã bao giờ bạn nhìn lên bầu trời đêm và suy nghĩ rằng những vật thể sáng trên trời kia là gì? Hay những chấm sáng ấy liệu có thể nhìn rõ hơn không? Hay thậm chí những ngày nắng chói chang, bạn muốn đi “trả thù” mà không biết mặt mũi “Ông Trời” ra sao? Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, việc ngắm nhìn các thiên thể trên bầu trời đã không còn khó khăn như trước nữa. Kính thiên văn đã trở thành công cụ thiết yếu, được sử dụng rộng rãi trong ngành thiên văn học, vật lý thiên văn hay với cả những người yêu thiên văn nghiệp dư.

Về mặt kỹ thuật, kính thiên văn là một thiết bị quang học có chức năng phóng đại hình ảnh của vật thể ở xa bằng hệ thống kính và gương cầu. Thuật ngữ “Kính thiên văn” (Telescope) thường dùng để nói kính thiên văn quang học (bước sóng nằm trong dải ánh sáng nhìn thấy). Tuy nhiên, trong quá trình phát triển, nó đã trải qua những biến đổi lớn kể từ khi ra đời vào thế kỷ 17. Và hệ quả là đến ngày nay, chúng ta đã có nhiều loại kính thiên văn hoạt động trên các dải bước sóng khác nhau, từ sóng vô tuyến cho tới tia gamma. Tóm lại, mục đích chính của kính thiên văn là thu gom ánh sáng và các bức xạ do vật thể ở xa phát ra và hội tụ chúng vào một tiêu điểm, nơi ảnh có thể được quan sát, chụp lại hoặc khảo sát.

KÍNH THIÊN VĂN NGÀY NAY CÓ NHIỀU LOẠI KHÁC NHAU

Chính vì sự đa dạng như vậy, kính thiên văn được phân chia thành nhiều loại khác nhau. Có thể phân chia dựa vào các yếu tố sau: sự sắp xếp thấu kính và gương, loại bức xạ mà kính đó tiếp nhận, điều kiện bên ngoài mà chúng có thể chịu được,…

Trong nội dung này, chúng ta sẽ dựa vào cơ chế hoạt động của kính và có thể hiểu đây là những kính thiên văn thông dụng, quan sát dựa trên bước sóng nhìn thấy, mà chia làm hai loại chính:

• Kính thiên văn khúc xạ (Refracting Telescope)
• Kính thiên văn phản xạ (Reflecting Telescope)

Tuy nhiên, trong quá trình phát triển, các nhà khoa học đã thiết kế thêm một trường hợp (hay loại thứ ba) nữa, đó là:

• Kính thiên văn tổ hợp (Catadioptric Telescope)

KÍNH THIÊN VĂN KHÚC XẠ (REFRACTING TELESCOPE)

Nói đến kính thiên văn khúc xạ thì đầu tiên, ta cần tìm hiểu về khái niệm khúc xạ. Khúc xạ ánh sáng là gì? Khúc xạ ánh sáng là sự bẻ cong của chùm ánh sáng khi đi qua hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.

Kính thiên văn khúc xạ hoạt động dưa trên nguyên lý khúc xạ ánh sáng (và cả nguyên lý truyền thẳng), sử dụng một thấu kính để thu nhận và hội tụ ánh sáng.

Chúng ta có thể hình dung, một thấu kính (lens) là một chuỗi các lăng kính kết hợp theo cách mà tất cả các tia sáng chiếu vào thấu kính song song với trục được khúc xạ để đi qua tiêu điểm. Trong hình 3, chúng ta có thể thấy được nguồn sáng (thiên thể) là những chùm sáng song song (vì chúng ở rất xa), đi vào trong ống kính thiên văn. Nó sẽ đi qua thấu kính, và với đặc tính vật như như đã nói ở trên, giúp tập trung các tia sáng lại, khiến ảnh của nguồn sáng hiện lên rõ hơn nếu ta quan sát (bằng mắt hoặc hiện lên camera).

Tuy nhiên, trong việc hoạt động với nguyên lý khúc xạ ánh sáng qua các lăng kính cũng là một điểm yếu của kính thiên văn khúc xạ. Lý do nằm ở chỗ, hầu hết các ánh sáng ta thu được là ánh sáng trắng, khi đi qua lăng kính sẽ xảy ra hiện tượng sắc sai (chromatic aberration). Sắc sai là hiện tượng khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính sẽ bị sai lệch, biến thành một chùm sáng với phân bố từ đỏ đến tím. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi ánh sáng trắng là tập hợp của nhiều loại màu khác nhau (7 màu) phân bố dựa theo các bước sóng khác nhau, khi qua lăng kính sẽ có các góc khúc xạ khác nhau nên không hội tụ cùng một điểm, gây ra hiện tượng sắc sai. Thử tưởng tượng bạn đang quan sát Mặt Trăng mà viền của nó gồm các màu khác nhau thì sẽ thế nào! Tuy nhiên, hiện tượng sắc sai sẽ được khắc phục bằng cách sử dụng thấu kính APO (Apochromatic elements), thấu kính làm giảm hiện tượng sắc sai, được chế tạo để có khả năng tập trung các tia sóng khác nhau vào một điểm.

KÍNH THIÊN VĂN PHẢN XẠ (REFLECTING TELESCOPE)

Kính thiên văn phản xạ hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng, sử dụng gương để thu nhận và hội tụ ánh sáng.

Hoạt động của một chiếc kính phản xạ được mô tả trên hình 4 và 5. Tất cả thiên thể đều nằm quá xa đến nỗi ánh sáng từ chúng đến Trái Đất là các tia sáng song song. Vì các tia sáng song song với nhau, gương của kính thiên văn phản xạ được làm thành dạng cong parabol để có thể hội tụ các tia sáng song song vào một điểm. Việc phản xạ này được thực hiện bởi gương chính. Ngoài ra, trong kính còn có một gương phụ, có nhiệm vụ hướng ảnh hội tụ đến mắt người xem. Và trong hình 5 cũng giải thích lý do ảnh chúng ta quan sát được ngược so với thực tế.

KÍNH THIÊN VĂN TỔ HỢP (CATADIOPTRIC TELESCOPE)

Hầu hết các vấn đề của kính thiên văn khúc xạ được giải quyết bằng kính thiên văn phản xạ. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là kính thiên văn phản xạ không có nhược điểm.

Thiết kế ống mở của kính phản xạ có nghĩa là bụi sẽ từ từ lắng xuống gương, ngay cả khi bạn đậy nắp kính không sử dụng, nên nếu không bảo quản tốt sẽ nhanh bị xuống cấp và chất lượng ảnh quan sát được sẽ bị giảm sút. Vì vậy khi sở hữu một chiếc kính phản xạ bạn sẽ cần phải vệ sinh kính thường xuyên và đôi khi có thể đem đến những vết xước không mong muốn. Và để giải quyết những vấn đề của 2 loại kính trên thì người ta đã nghiên cứu ra kính thiên văn tổ hợp.

Kính thiên văn tổ hợp (catadioptric) là sự kết hợp cơ cấu của kính phản xạ và khúc xạ, sử dụng cả ống kính và gương để thu thập ánh sáng trực tiếp. Như được mô tả trên hình 6, thấu kính là bộ phận tiếp nhận ánh sáng đầu tiên, hướng ánh sáng đi đến gương chính. Gương chính tiếp tục điều hướng đường truyền đến gương phụ (tương tự trong kính phản xạ), tiếp tục ánh sáng được phản xạ qua gương phụ đi đến thị kính và mắt người xem hay có thể là máy ảnh.

Nó được thiết kế để kết hợp ưu điểm của hai loại kính và hầu như loại bỏ được nhược điểm của cả hai loại kính. Kính thiên văn tổ hợp có thể đủ khả năng để có một khu vực thu thập ánh sáng lớn. Ống kính cũng được bao kín hoàn toàn nên đảm bảo an toàn dễ bảo trì, bảo dưỡng, và ánh sáng của nó có thể được hướng qua một thị kính ở nhiều góc độ khác nhau. Đồng thời, kính dễ dàng tháo lắp và có kích thước nhỏ gọn rất thuận tiện cho các nhà thám hiểm khi di chuyển. Tuy nhiên, điều ấn tượng nhất của kính thiên văn tổ hợp là một sự kết hợp hoàn hảo giữa kính thiên văn khúc xạ với các yếu tố phản xạ trong thiết kế mang lại hình ảnh rõ nét hơn so với hai loại còn lại, khiến kính viễn vọng catadioptric trở nên lý tưởng để xem hoặc thậm chí chụp ảnh các thiên thể ở xa.

Trên đây là bài giới thiệu sơ lược về nguyên lý hoạt động của các loại kính thiên văn thông dụng. Hy vọng bài viết đem lại cho bạn các kiến thức bổ ích trong quá trình sử dụng các loại kính!

#DAC #DACfacts #telescope

Tìm hiểu và chia sẻ bởi Ban Kỹ Thuật – CLB Thiên văn học Đà Nẵng