Những đặc tính quang học của kính thiên văn

Quan sát hay ngắm nhìn bầu trời là một điều thú vị và xuyên suốt trong quá trình tìm hiểu về thiên văn mà kính thiên văn(KTV). Vì vậy, để có một cách quan sát qua KTV tốt nhất thì chúng ta cần biết về những đặc tính quang học của kính. Ngoài những đặc tính cơ bản về tiêu cự, độ phóng đại thì còn có năng lực thấu quang, năng lực phân giải, thị trường và quang lực của KTV

*Năng lực thấu quang, năng lực phân giải

Nhiều người vẫn cho rằng đặc tính chủ yếu nhất của kính thiên văn là phóng đại, càng phóng vật thể to lên bao nhiêu thì càng nhìn thấy vật thể rõ ràng trong KTV bấy nhiêu. Nhưng thực sự không phải hoàn toàn như vật: giá trị của kính thiên văn trước hết được xác định bởi kích thước vật kính. Điều quan trọng hơn cả là làm sao thâu nhận được càng nhiều ánh sáng của đối tượng đang được nghiên cứu trên bầu trời càng tốt.

Tất cả mọi vật thể đều phát xạ hay phản xạ ánh sáng. Một phần ánh sáng rơi vào con ngươi của mắt rồi đi thẳng vào trong mắt tạo ra cảm giác thấy ánh sáng. Nếu ánh sáng ít thì khó nhận thấy vật thể hoặc thậm chí không nhận ra vật thể đó. Nếu bằng cách nào đó tăng lượng ánh sáng lọt vào mắt thì chúng ta có thể cải thiện được khả năng quan sát.

Đường kính của vật kính ở kính thiên văn lớn hơn nhiều so với con ngươi của mắt người nên nó thâu nhận được nhiều ánh sáng hơn. Chính điều này đã ghi nhận được những vật thể kém sáng gấp 100 triệu lần so với các sao quan sát bằng mắt thường.

Khi quan sát những thiên thể trên bầu trời bằng mắt thường lại nảy sinh ra một khó khăn khác. Khi ngắm mặt Trăng chúng ta thấy trên bề mặt của nó có những vệt tối. Khó có thể nói được điều gì ở bên trong vệt tối đó, trong khi sở thích lại muốn chúng ta khám phá sâu : cái gì bên trong vệt tối đó ?.Không thể nhìn những chi tiết đó bằng mắt thương, mặc dù có đầy đủ lượng ánh sáng. Ta cũng biết rằng nếu kích thước biểu kiến( nhìn thấy được) của Mặt trăng to hơn thì ta có thể quan sát bề mặt đó kĩ càng hơn. Sử dụng phương pháp đơn giản nhất để tăng góc nhìn của nó là tiến lại gần nó hơn.
Như vây, kính thiên văn trước hết phải tăng lượng ánh sáng đến từ các vật thể để thuận lợi cho việc quan sát chi tiết vật thể. Ta gọi khả năng của KTV chỉ rõ được các vì sao yếu ớt là năng lực thấu quang, còn khả năng phân biệt những chi tiết là năng lực phân giải.

Lẽ ra năng lực thấu quang phải tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt của vật kính: diện tích càng lớn thì dụng cụ càng thu nhận được nhiều ánh sáng, tức là những đối tượng quan sát yếu hơn nhìn càng rõ?

Thực ra khả năng bắt tín hiệu ánh sáng yếu phụ thuộc vào mức độ nền mà trên đó thiên thể hiện ra. Những ngôi sao không thể nhìn thấy vào ban ngày, mặc dù chúng vẫn phát ra một lượng ánh sáng như chúng vẫn phát ra về ban đêm. Cái nền sáng của bầu trời ban ngày đã át hết ánh sáng của những ngôi sao đó. Nhưng ngay cả về ban đêm vẫn có tuy không nhiều ánh sáng. Do vậy, năng lực thấu quang thường thấp hơn so với tính toán lí thuyết. Khi có một nền sáng thì năng lực này tăng lên theo tỉ lệ thuận với đường kính ( chứ ko phải diện tích), mà chính điều này lại giảm đi mực độ ích lợi của việc tăng đường kính của vật kính???

Hình ảnh của các ngôi sao do KTV tạo ra có một kích thước nhất định. Nếu như khoảng cách giữa hai hình ảnh hai sao lại nhỏ hơn kích thước của chúng thì chúng sẽ hòa nhập vào nhau và không thể phân biệt chúng dễ dàng được . Năng suất phân giải được xác định bởi việc ảnh nhỏ đến mức nào của điểm sáng được kính của KTV thu được. Như vậy, kích thước ảnh của điểm sáng là chỉ số chất lượng của vật kính: ảnh càng nhỏ thì vật kính càng tốt. Các nhà thiên văn học xác định kích thước của ảnh bằng số đo của góc mà theo đó ảnh được nhìn thấy từ tâm của vật kính.

Bước sóng ánh sáng mà mắt người nhạy cảm nhất là 555nm(màu xanh lá) . Nếu đưa con số này và đường kính vật kính chẳng hạn là 13cm thì ta có a khoảng 0,9. Nghĩa là nếu quan sát bằng một kính thiên văn có đường kính 13cm hai ngôi sao có độ sáng như nhau trên bầu trời cách nhau một khoảng cách là 0,9 thì ta có thể hi vọng có thể phân biệt được chúng,

*Tiêu cự, độ phóng đại
Kính thiên văn bao gồm vật kính và thị kính. Ánh sáng của các ngôi sao ở rất xa vật kính đi qua nó và hội tụ ở tiêu diện . Khoảng cách từ vật kính tới tiêu diện gọi là tiêu cự của vật kính. Ánh sáng lại đi tiếp để rơi vào thị kính rồi tới mắt người quan sát.

Kích thước góc của ảnh trong KTV lớn hơn kích thước góc của thiên thể . Quan hệ giữa hai góc này là độ phóng đại( hay độ bội giác) . G=F/f . F,f lần lượt là tiêu cự của vật kính, thị kính.

Ta có thể thay thị kính bằng một bộ phận thu nhận ánh sáng ở tiêu điểm, VD dùng một tấm kính ảnh. Trong trường hợp này tiêu cự của vật kính càng lớn thì ảnh của vật quan sát càng lớn. Nếu lấy hai vật kính có cùng đường kính, nhưng tiêu cự khác nhau thì chúng sẽ cho 2 ảnh kích thước khác nhau.Nhưng ánh sáng thu nhận là như nhau, do đó độ chiếu sáng( độ rọi) của ảnh lớn hơn sẽ yếu hơn.

*Quang lực
Nếu chúng ta muốn tăng kích thước của hình ảnh, mà độ chiếu sáng không thay đổi thì đồng thời việc tăng tiêu cự thì ta cũng phải tăng đường kính của kính. Tỉ lệ D/F ( D: đường kính, F: tiêu cự) gọi là quang lực hay độ mở tương đối của vật kính. Nêu quang lực của hai vật kính như nhau thì độ chiếu sáng của ảnh của các thiên thể sẽ như nhau.

Khi thiết kế một KTV, người ta phải tính quang lực xuất phát từ những nhiệm vụ , mục đích của kính thiên văn đó. Chúng ta cần những kính thiên văn có quang lực lớn để nghiên cứu nhưng tinh vân sáng yếu ớt. Quang lực của những KTV lớn nhất hiện nay khoảng 1/2 .

*Trường nhìn
Cuối cùng một đặc tính quan trọng của kính thiên văn là trường quan sát hay trường nhìn (thị trường) của kính. Một tấm ảnh của kính thiên văn có trường quan sát lớn thì nó có thể thấy được nhiều thiên thể. Nhưng chúng ta cần quan tâm đến là ảnh ở phần giữa và phẩn rìa phải sắc nét. Để có được điều đó, cần chế tạo những KTV đặc biệt mà vật kính của chúng gồm một thấu kính và một gương. Đó là những KTV Schmidt và Macxutop. Những KTV được dùng để chụp ảnh bầu trời. Kích thước nhìn của chúng vào khoảng 5-6 độ, mà chất lượng ảnh vẫn tốt. Những KTV phản xạ lớn thì trường nhìn thường không quá 1 độ ( VD : mặt trăng có đường kính khoảng 0,5 độ )

Nguồn: Kho tàng tri thức nhân loại – THIÊN VĂN