Se ci pensate, è stata solo una questione di tempo prima che il primo telescopio fosse inventato. Le persone sono state affascinate dai cristalli per millenni. Molti cristalli, ad esempio il quarzo, sono completamente trasparenti. Altri - rubini - assorbono alcune frequenze di luce e ne passano altre. La modellatura dei cristalli in sfere può essere eseguita tagliando, ruzzolando e lucidando - questo rimuove i bordi taglienti e arrotonda la superficie. La dissezione di un cristallo inizia con la ricerca di un difetto. La creazione di una semisfera - o segmento di cristallo - crea due diverse superfici. La luce viene raccolta dalla faccia frontale convessa e proiettata verso un punto di convergenza dalla faccia piana. Poiché i segmenti di cristallo hanno curve severe, il punto di messa a fuoco potrebbe essere molto vicino al cristallo stesso. A causa delle brevi lunghezze focali, i segmenti di cristallo rendono i microscopi migliori dei telescopi.
Non è stato il segmento di cristallo, ma la lente di vetro, a rendere possibili i moderni telescopi. Le lenti convesse uscivano dal terreno di vetro in modo da correggere la visione lungimirante. Sebbene sia gli occhiali che i segmenti di cristallo siano convessi, le lenti lungimiranti hanno curve meno severe. I raggi di luce sono solo leggermente piegati dal parallelo. Per questo motivo, il punto in cui l'immagine prende forma è molto più lontano dall'obiettivo. Questo crea una scala dell'immagine sufficientemente grande per un'ispezione umana dettagliata.
Il primo uso di lenti per aumentare la vista può essere fatto risalire al Medio Oriente dell'XI secolo. Un testo arabo (Opticae Thesaurus scritto dallo scienziato-matematico Al-hazen) osserva che segmenti di sfere di cristallo potrebbero essere usati per ingrandire piccoli oggetti. Alla fine del XIII secolo, si dice che un monaco inglese (forse riferendosi alla prospettiva di Roger Bacon del 1267) abbia creato i primi occhiali pratici a fuoco ravvicinato per aiutare a leggere la Bibbia. Non è stato fino al 1440 quando Nicola di Cusa ha messo a terra il primo obiettivo per correggere la miopia -1. E sarebbero passati altri quattro secoli prima che i difetti nella forma delle lenti stesse (astigmatismo) fossero aiutati da una serie di occhiali. (Ciò fu compiuto dall'astronomo britannico George Airy nel 1827 circa 220 anni dopo l'altro - un astronomo più famoso - Johann Kepler descrisse per la prima volta con precisione l'effetto delle lenti sulla luce.)
I primi telescopi presero forma subito dopo che la macinazione degli occhiali si affermò come mezzo per correggere sia la miopia che la presbiopia. Poiché le lenti lungimiranti sono convesse, sono dei buoni "collezionisti" di luce. Una lente convessa prende raggi paralleli dalla distanza e li piega a un punto di messa a fuoco comune. Questo crea un'immagine virtuale nello spazio, che può essere ispezionata più da vicino usando una seconda lente. La virtù di una lente di raccolta è duplice: unisce la luce (aumentandone l'intensità) - e amplifica la scala dell'immagine - entrambe in misura potenzialmente molto maggiore di quanto sia capace solo l'occhio.
Le lenti concave (utilizzate per correggere la miopia) diffondono la luce verso l'esterno e fanno apparire le cose più piccole alla vista. Una lente concava può aumentare la lunghezza focale dell'occhio ogni volta che il proprio sistema oculare (cornea fissa e lente morphing) non riesce a mettere a fuoco un'immagine sulla retina. Le lenti concave sono ottimi oculari perché consentono all'occhio di ispezionare più da vicino l'immagine virtuale proiettata da una lente convessa. Ciò è possibile perché i raggi convergenti di una lente di raccolta sono rifratti verso il parallelo da una lente concava. L'effetto è mostrare un'immagine virtuale vicina come a grande distanza. Una singola lente concava consente alla lente dell'occhio di rilassarsi come se fosse focalizzata sull'infinito.
La combinazione di lenti convesse e concave era solo una questione di tempo. Possiamo immaginare la prima occasione in cui i bambini giocano con la fatica del macinino del giorno - o forse quando l'ottico si sente chiamato a ispezionare un obiettivo usando un altro. Un'esperienza simile deve essere sembrata quasi magica: una torre lontana si profila all'istante come se si avvicinasse alla fine di una lunga passeggiata; figure irriconoscibili sono improvvisamente viste come amiche intime; i confini naturali - come canali o fiumi - vengono saltati come se le stesse ali di Mercurio fossero attaccate alle cure ...
Una volta che il telescopio divenne realtà, si presentarono due nuovi problemi ottici. Le lenti per la raccolta della luce creano immagini virtuali curve. Quella curva è leggermente "a forma di scodella" con il fondo rivolto verso l'osservatore. Questo ovviamente è esattamente l'opposto di come l'occhio stesso vede il mondo. Perché l'occhio vede le cose come se fossero disposte su una grande sfera il cui centro giace sulla retina. Quindi bisognava fare qualcosa per disegnare i raggi perimetrali verso l'occhio. Questo problema fu parzialmente risolto dall'astronomo Christiaan Huygens nel 1650. Lo ha fatto combinando diversi obiettivi insieme come unità. L'uso di due lenti ha portato più raggi periferici da una lente di raccolta verso il parallelo. Il nuovo oculare di Huygen ha appiattito efficacemente l'immagine e ha permesso all'occhio di raggiungere la messa a fuoco attraverso un campo visivo più ampio. Ma quel campo indurrebbe ancora la claustrofobia nella maggior parte degli osservatori di oggi!
Il problema finale era più intrattabile: le lenti rifrattive piegano la luce in base alla lunghezza d'onda o alla frequenza. Maggiore è la frequenza, più viene piegato un particolare colore della luce. Per questo motivo, gli oggetti che mostrano luce di vari colori (luce policromatica) non sono visti nello stesso punto di messa a fuoco attraverso lo spettro elettromagnetico. Fondamentalmente le lenti agiscono in modo simile ai prismi, creando una gamma di colori, ognuno con il proprio punto focale unico.
Il primo telescopio di Galileo ha risolto solo il problema di avvicinare un occhio abbastanza da ingrandire l'immagine virtuale. Il suo strumento era composto da due obiettivi separabili da una distanza controllata per impostare la messa a fuoco. L'obiettivo aveva una curva meno severa per raccogliere la luce e portarla a vari punti di messa a fuoco a seconda della frequenza di colore. L'obiettivo più piccolo - posseduto da una curva più severa di lunghezza focale più corta - ha permesso all'occhio di osservazione di Galileo di avvicinarsi abbastanza all'immagine per vedere i dettagli ingranditi.
Ma la portata di Galileo poteva essere messa a fuoco solo vicino al centro del campo visivo dell'oculare. E la messa a fuoco poteva essere impostata solo in base al colore dominante emesso o riflesso da qualunque cosa Galileo stesse osservando in quel momento. Galileo di solito osservava studi brillanti - come la Luna, Venere e Giove - usando una battuta di apertura e si vantava di essersi inventato l'idea!
Christiaan Huygens ha creato il primo oculare - Huygenian - dopo il tempo di Galileo. Questo oculare è costituito da due lenti piano-convesse rivolte verso l'obiettivo di raccolta, non una singola lente concava. Il piano focale delle due lenti si trova tra l'obiettivo e gli elementi dell'obiettivo. L'uso di due obiettivi ha appiattito la curva dell'immagine, ma solo oltre un punteggio di circa il campo visivo apparente. Dal tempo di Huygen, gli oculari sono diventati molto più sofisticati. A partire da questo originale concetto di molteplicità, gli oculari di oggi possono aggiungere un'altra mezza dozzina di elementi ottici riorganizzati in forma e posizione. Gli astronomi dilettanti possono ora acquistare oculari dallo scaffale dando campi ragionevolmente piatti superiori a 80 gradi in diametro apparente-2.
Il terzo problema - quello delle immagini multicolore con sfumature cromatiche - non fu risolto in modo telescopico fino a quando un telescopio riflettore funzionante non fu progettato e costruito da Sir Isaac Newton nel 1670. Quel telescopio ha eliminato del tutto la lente di raccolta, sebbene richiedesse ancora l'uso di un oculare refrattario (che contribuisce molto meno al "falso colore" rispetto all'obiettivo).
Nel frattempo i primi tentativi di riparare il rifrattore dovevano semplicemente allungarli. Furono ideati cannocchiali lunghi 140 piedi. Nessuno aveva diametri di lenti particolarmente esorbitanti. Tali dinamici esili richiedevano l'uso di un osservatore veramente avventuroso, ma "attenuavano" il problema del colore.
Nonostante l'eliminazione dell'errore di colore, anche i primi riflettori avevano problemi. Lo scopo di Newton utilizzava uno specchio speculum macinato sfericamente. Rispetto al rivestimento in alluminio dei moderni specchi catarifrangenti, lo speculum ha prestazioni deboli. A circa tre quarti della capacità di raccolta della luce dell'alluminio, lo speculum perde circa una magnitudine in una presa di luce. Quindi lo strumento da sei pollici ideato da Newton si comportava più come un modello da 4 pollici contemporaneo. Ma questo non è ciò che ha reso difficile vendere lo strumento di Newton, ha semplicemente fornito una qualità dell'immagine molto scadente. E ciò era dovuto all'uso di quello specchio primario sfericamente macinato.
Lo specchio di Newton non ha portato tutti i raggi di luce a fuoco comune. La colpa non era dovuta allo speculum, ma alla forma dello specchio che, se esteso a 360 gradi, farebbe un cerchio completo. Tale specchio non è in grado di portare i fasci di luce centrali sullo stesso punto di messa a fuoco di quelli più vicini al bordo. Non è stato fino al 1740 quando John Short della Scozia ha corretto questo problema (per la luce sull'asse) parabolizzando lo specchio. In breve, ciò è stato realizzato in modo molto pratico: poiché i raggi paralleli più vicini al centro di uno specchio sferico superano i raggi marginali, perché non solo approfondire il centro e reinserirli?
Fu solo nel 1850 che l'argento sostituì lo speculum come superficie a specchio preferita. Ovviamente gli oltre 1000 riflettori parabolici fabbricati da John Short avevano tutti specchi speculari. E l'argento, come lo speculum, perde riflettività piuttosto rapidamente nel tempo a causa dell'ossidazione. Nel 1930, i primi telescopi professionali venivano rivestiti con alluminio più resistente e riflettente. Nonostante questo miglioramento, i piccoli riflettori portano meno luce alla messa a fuoco rispetto ai rifrattori di apertura comparabile.
Nel frattempo anche i rifrattori si sono evoluti. Durante il periodo di John Short, gli ottici hanno capito qualcosa che Newton non aveva: come ottenere la luce rossa e verde per unire un punto focale comune per rifrazione. Ciò fu realizzato per la prima volta da Chester Moor Hall nel 1725 e riscoperto un quarto di secolo dopo da John Dolland. Hall e Dolland hanno combinato due lenti diverse: una convessa e l'altra concava. Ciascuno consisteva in un diverso tipo di vetro (corona e pietra focaia) che rifrange la luce in modo diverso (basato su indici di rifrazione). La lente convessa del vetro corona ha il compito immediato di raccogliere la luce di tutti i colori. Questo ha piegato i fotoni verso l'interno. L'obiettivo negativo allargava leggermente il raggio convergente verso l'esterno. Laddove l'obiettivo positivo ha causato il superamento della messa a fuoco da parte della luce rossa, l'obiettivo negativo ha causato il passaggio del rosso. Rosso e verde si mescolarono e l'occhio vide giallo. Il risultato fu il telescopio rifrattore acromatico - un tipo preferito da molti astronomi dilettanti oggi per poco costoso, piccola apertura, campo ampio, ma - in rapporti focali più brevi - meno dell'uso ideale della qualità dell'immagine.
Fu solo verso la metà del diciannovesimo secolo che gli ottici riuscirono a ottenere il blu-viola per unire il rosso e il verde a fuoco. Questo sviluppo inizialmente è nato dall'uso di materiali esotici (la fluorite) come elemento negli obiettivi doppi dei microscopi ottici ad alta potenza, non dei telescopi. Tre progetti di telescopi a elementi che utilizzano tipi di vetro standard - terzine - hanno risolto il problema anche dopo quaranta anni (poco prima del ventesimo secolo).
Gli astronomi dilettanti di oggi possono scegliere tra un vasto assortimento di tipi di portata e produttori. Non esiste uno scopo per tutti i cieli, gli occhi e gli studi celesti. Problemi di planarità del campo (in particolare con telescopi newtoniani veloci) e pesanti tubi ottici (associati a grandi rifrattori) sono stati affrontati da nuove configurazioni ottiche sviluppate negli anni '30. Tipi di strumenti - come lo SCT (telescopio Schmidt-Cassegrain) e MCT (telescopio Maksutov-Cassegrain) oltre alle nuove varianti Schmidt e Maksutov e riflettori obliqui - sono ora fabbricati negli Stati Uniti e in tutto il mondo. Ogni tipo di ambito sviluppato per rispondere ad alcune preoccupazioni valide o un altro relative a dimensioni, ingombro, planarità del campo, qualità dell'immagine, contrasto, costo e portabilità.
Nel frattempo i rifrattori sono stati al centro della scena tra gli optofili - persone che desiderano la massima qualità d'immagine possibile indipendentemente da altri vincoli. I rifrattori completamente apocromatici (corretti per il colore) forniscono alcune delle immagini più straordinarie disponibili per l'uso di immagini ottiche, fotografiche e CCD. Ma purtroppo, tali modelli sono limitati a aperture più piccole a causa di costi significativamente più elevati di materiali (cristalli esotici a bassa dispersione e vetro), fabbricazione (fino a sei superfici ottiche devono essere modellate) e maggiori requisiti di carico (a causa di pesanti dischi di vetro ).
Tutta la varietà odierna dei tipi di portata è iniziata con la scoperta che due lenti di curvatura disuguale potevano essere tenute in vista per trasportare la percezione umana su grandi distanze. Come molti grandi progressi tecnologici, il moderno telescopio astronomico è emerso da tre ingredienti fondamentali: necessità, immaginazione e una crescente comprensione del modo in cui energia e materia interagiscono.
Quindi da dove viene il moderno telescopio astronomico? Certamente il telescopio ha attraversato un lungo periodo di costante miglioramento. Ma forse, proprio forse, il telescopio è essenzialmente un dono dell'Universo stesso che esulta in profonda ammirazione attraverso gli occhi, i cuori e le menti umani ...
-1 Esistono delle domande su chi abbia creato gli occhiali per la prima volta correggendo la vsion ipovedente. È improbabile che Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham o Roger Bacon abbiano mai usato un obiettivo in questo modo. Confondere la questione della provenienza è la questione di come gli occhiali fossero effettivamente indossati. È probabile che il primo ausilio visivo sia stato semplicemente tenuto all'occhio come un monocolo - necessità che ha preso il sopravvento da lì. Ma un metodo così primitivo sarebbe storicamente raccontato come "l'origine dello spettacolo"?
-2 La capacità di un particolare oculare di compensare un'immagine virtuale necessariamente curva è sostanzialmente limitata dall'efficace rapporto focale e archetettura dell'ambito. Pertanto i telescopi la cui lunghezza focale sono molte volte la loro apertura presentano meno di una curva istantanea sul "piano dell'immagine". Nel frattempo gli ambiti che inizialmente rifrangono la luce (catadiottici e rifrattori) hanno il vantaggio di gestire meglio la luce fuori asse. Entrambi i fattori aumentano il raggio di curvatura dell'immagine proiettata e semplificano il compito dell'oculare di presentare un campo piatto all'occhio.
Circa l'autore:
Ispirato al capolavoro dei primi del 1900: "Il cielo attraverso i telescopi a tre, quattro e cinque pollici", Jeff Barbour iniziò l'astronomia e la scienza spaziale all'età di sette anni. Attualmente Jeff dedica gran parte del suo tempo ad osservare il cielo e a mantenere il sito Web Astro.Geekjoy.
