Als je erover nadenkt, was het slechts een kwestie van tijd voordat de eerste telescoop werd uitgevonden. Mensen zijn al millennia gefascineerd door kristallen. Veel kristallen - bijvoorbeeld kwarts - zijn volledig transparant. Anderen - robijnen - absorberen sommige lichtfrequenties en passeren andere. Kristallen tot bollen vormen kan worden gedaan door splijten, tuimelen en polijsten - dit verwijdert scherpe randen en rondt het oppervlak af. Het ontleden van een kristal begint met het vinden van een fout. Door een halve bol - of kristalsegment - te creëren, ontstaan twee verschillende oppervlakken. Licht wordt opgevangen door de convexe voorkant en geprojecteerd naar een convergentiepunt door de vlakke achterkant. Omdat kristalsegmenten sterke krommen hebben, kan het focuspunt heel dicht bij het kristal zelf liggen. Vanwege de korte brandpuntsafstanden maken kristalsegmenten betere microscopen dan telescopen.
Het was niet het kristalsegment - maar de lens van glas - die moderne telescopen mogelijk maakte. Convexe lenzen kwamen uit glas op een manier om vooruitziend zicht te corrigeren. Hoewel zowel bril als kristalsegmenten bol zijn, hebben vooruitziende lenzen minder ernstige rondingen. Lichtstralen zijn slechts een klein beetje gebogen vanaf de parallel. Hierdoor ligt het punt waar het beeld vorm krijgt veel verder weg van de lens. Hierdoor ontstaat een beeldschaal die groot genoeg is voor gedetailleerde menselijke inspectie.
Het eerste gebruik van lenzen om het gezichtsvermogen te vergroten, gaat terug tot het Midden-Oosten van de 11e eeuw. Een Arabische tekst (Opticae Thesaurus geschreven door wetenschapper-wiskundige Al-hazen) merkt op dat segmenten van kristallen bollen kunnen worden gebruikt om kleine objecten te vergroten. Aan het einde van de 13e eeuw zou een Engelse monnik (mogelijk verwijzend naar Roger Bacons Perspectiva van 1267) de eerste praktische bril met bijna focus hebben gemaakt om te helpen bij het lezen van de Bijbel. Het duurde tot 1440 voordat Nicholas van Cusa de eerste lens grondde om bijziendheid -1 te corrigeren. En het zou nog vier eeuwen duren voordat gebreken in de lensvorm zelf (astigmatisme) zouden worden geholpen door een bril. (Dit werd bereikt door de Britse astronoom George Airy in 1827, zo'n 220 jaar na een andere - bekendere astronoom - Johann Kepler beschreef voor het eerst nauwkeurig het effect van lenzen op licht.)
De vroegste telescopen ontstonden vlak nadat het slijpen van brillen goed ingeburgerd was geraakt als middel om zowel bijziendheid als presbyopie te corrigeren. Omdat vooruitziende lenzen bol zijn, zijn ze goede 'verzamelaars' van licht. Een convexe lens neemt parallelle stralen op afstand en buigt ze naar een gemeenschappelijk focuspunt. Hierdoor ontstaat een virtueel beeld in de ruimte - een die nauwkeuriger kan worden geïnspecteerd met een tweede lens. De deugd van een verzamellens is tweeledig: het combineert licht samen (verhoogt de intensiteit) - en versterkt de beeldschaal - beide tot een mate die potentieel veel groter is dan het oog alleen kan.
Concave lenzen (gebruikt om bijziendheid te corrigeren) spreiden het licht naar buiten en laten dingen er voor het oog kleiner uitzien. Een concave lens kan de brandpuntsafstand van het oog vergroten wanneer het eigen systeem van het oog (vaste hoornvlies- en morphingslens) een beeld op het netvlies niet scherpstelt. Concave lenzen zijn goede oculairs omdat ze het oog in staat stellen het virtuele beeld dat door een convexe lens wordt gegoten, nauwkeuriger te inspecteren. Dit is mogelijk omdat convergente stralen van een verzamellens door een concave lens naar de parallel worden gebroken. Het effect is dat een virtueel beeld in de buurt wordt weergegeven alsof het op grote afstand is. Met een enkele concave lens kan de ooglens ontspannen alsof hij op oneindig is gericht.
Het combineren van bolle en holle lenzen was slechts een kwestie van tijd. We kunnen ons de allereerste gelegenheid voorstellen toen kinderen speelden met het zwoegen van de lensslijper van de dag - of mogelijk toen de opticien zich geroepen voelde om de ene lens met een andere te inspecteren. Zo'n ervaring moet bijna magisch zijn geweest: een verre toren doemt onmiddellijk op alsof hij na een lange wandeling nadert; onherkenbare figuren worden plotseling gezien als goede vrienden; natuurlijke grenzen - zoals kanalen of rivieren - worden overgeslagen alsof Mercurius 'eigen vleugels aan de genezingen waren bevestigd ...
Toen de telescoop eenmaal was ontstaan, deden zich twee nieuwe optische problemen voor. Lichtverzamelende lenzen creëren gebogen virtuele beelden. Die curve is enigszins "komvormig" met de onderkant naar de waarnemer gekeerd. Dit is natuurlijk precies het tegenovergestelde van hoe het oog zelf de wereld ziet. Want het oog ziet de dingen alsof ze zich op een grote bol bevinden waarvan het centrum op het netvlies ligt. Er moest dus iets worden gedaan om de perimeterstralen terug naar het oog te trekken. Dit probleem werd gedeeltelijk opgelost door astronoom Christiaan Huygens in de jaren 1650. Dit deed hij door meerdere lenzen als één geheel te combineren. Het gebruik van twee lenzen bracht meer van de perifere stralen van een verzamellens naar de parallel. Huygen's nieuwe oculair maakte het beeld effectief plat en stelde het oog in staat om over een breder gezichtsveld scherp te stellen. Maar dat veld zou bij de meeste waarnemers van vandaag nog steeds claustrofobie veroorzaken!
Het laatste probleem was meer hardnekkig: brekende lenzen buigen licht op basis van golflengte of frequentie. Hoe groter de frequentie, hoe meer een bepaalde lichtkleur wordt gebogen. Om deze reden worden objecten die licht van verschillende kleuren weergeven (polychromatisch licht) niet gezien op hetzelfde focuspunt over het elektromagnetische spectrum. In wezen werken lenzen op een manier die vergelijkbaar is met prisma's - het creëren van een spreiding van kleuren, elk met zijn eigen unieke brandpunt.
De eerste telescoop van Galileo loste alleen het probleem op om een oog dichtbij genoeg te krijgen om het virtuele beeld te vergroten. Zijn instrument bestond uit twee lenzen die op een gecontroleerde afstand van elkaar konden worden verwijderd om de focus in te stellen. De objectieflens had een minder ernstige curve om licht te verzamelen en afhankelijk van de kleurfrequentie naar verschillende focuspunten te brengen. Door de kleinere lens - die een sterkere curve had met een kortere brandpuntsafstand - kon Galileo's observatieoog dicht genoeg bij het beeld komen om vergrote details te zien.
Maar het bereik van Galileo kon alleen worden scherpgesteld nabij het midden van het gezichtsveld van het oculair. En focus kon alleen worden ingesteld op basis van de dominante kleur die werd uitgezonden of weerspiegeld door wat Galileo op dat moment aan het bekijken was. Galileo observeerde gewoonlijk heldere studies - zoals de maan, Venus en Jupiter - met behulp van een diafragmastop en was er trots op dat hij met het idee was gekomen!
Christiaan Huygens creëerde het eerste - Huygenian - oculair na de tijd van Galileo. Dit oculair bestaat uit twee plano-convexe lenzen die naar de verzamellens zijn gericht - niet een enkele concave lens. Het brandpuntsvlak van de twee lenzen ligt tussen de objectief- en ooglenselementen. Het gebruik van twee lenzen maakte de curve van het beeld plat, maar slechts over een score van ongeveer een graad van zichtbaar gezichtsveld. Sinds de tijd van Huygen zijn oculairs veel geavanceerder geworden. Te beginnen met dit originele concept van veelheid, kunnen de oculairs van vandaag nog een half dozijn optische elementen toevoegen die qua vorm en positie opnieuw zijn gerangschikt. Amateurastronomen kunnen nu oculairs van de plank kopen, wat redelijk vlakke velden oplevert van meer dan 80 graden in schijnbare diameter-2.
Het derde probleem - dat van chromatisch getinte meerkleurenbeelden - werd pas in telescopie opgelost toen een werkende reflectortelescoop werd ontworpen en gebouwd door Sir Isaac Newton in de jaren 1670. Die telescoop elimineerde de verzamellens helemaal - hoewel er nog steeds een vuurvast oculair voor nodig was (dat veel minder bijdraagt aan "valse kleuren" dan het objectief).
Ondertussen waren vroege pogingen om de refractor te repareren, gewoon om ze langer te maken. Scopes tot 140 voet lang werden bedacht. Geen enkele had bijzonder exorbitante lensdiameters. Zulke spichtige dynasauriërs hadden een echt avontuurlijke waarnemer nodig om te gebruiken, maar het kleurprobleem werd 'afgezwakt'.
Ondanks het elimineren van kleurfouten, hadden vroege reflectoren ook problemen. De telescoop van Newton gebruikte een sferisch geslepen speculumspiegel. Vergeleken met de aluminium coating van moderne reflectorspiegels, presteert speculum zwak. Bij ongeveer driekwart van het lichtverzamelende vermogen van aluminium verliest het speculum ongeveer een magnitude in lichtbereik. Zo gedroeg het door Newton bedachte zes-inch instrument zich meer als een hedendaags 4-inch model. Maar dit was niet de reden dat Newton's instrument moeilijk te verkopen was, het zorgde gewoon voor een zeer slechte beeldkwaliteit. En dit kwam door het gebruik van die sferisch geslepen primaire spiegel.
De spiegel van Newton bracht niet alle lichtstralen in beeld. De fout lag niet bij het speculum - het lag bij de vorm van de spiegel die - als hij 360 graden werd uitgeschoven - een volledige cirkel zou vormen. Een dergelijke spiegel is niet in staat om centrale lichtstralen naar hetzelfde focuspunt te brengen als die dichter bij de rand. Pas in 1740 corrigeerde John Short uit Schotland dit probleem (voor licht op de as) door de spiegel te paraboliseren. Short heeft dit op een zeer praktische manier bereikt: aangezien parallelle stralen dichter bij het centrum van een sferische spiegel de marginale stralen overschrijden, waarom zou je dan niet gewoon het centrum verdiepen en in toom houden?
Het was pas in de jaren 1850 dat zilver het speculum verving als het spiegeloppervlak bij uitstek. Natuurlijk hadden de meer dan 1000 door John Short gefabriceerde parabolische reflectoren allemaal speculumspiegels. En zilver, zoals speculum, verliest in de loop van de tijd vrij snel reflectiviteit aan oxidatie. In 1930 werden de eerste professionele telescopen gecoat met duurzamer en reflecterend aluminium. Ondanks deze verbetering brengen kleine reflectoren minder licht in focus dan refractoren met een vergelijkbaar diafragma.
Ondertussen evolueerden ook refractoren. In de tijd van John Short kwamen opticiens erachter wat Newton niet had - hoe rood en groen licht door refractie op een gemeenschappelijk focuspunt te laten samensmelten. Dit werd voor het eerst bereikt door Chester Moor Hall in 1725 en een kwart eeuw later herontdekt door John Dolland. Hall en Dolland combineerden twee verschillende lenzen - een bolle en een andere holle. Elk bestond uit een ander glastype (kroon en vuursteen) dat licht op een andere manier refracteerde (op basis van brekingsindexen). De bolle lens van kroonglas deed onmiddellijk de taak om licht van alle kleuren te verzamelen. Hierdoor werden fotonen naar binnen gebogen. De negatieve lens spreidde de convergerende straal iets naar buiten. Waar de positieve lens ervoor zorgde dat rood licht de focus voorbijschoot, zorgde de negatieve lens ervoor dat rood te kort ging. Rood en groen vermengd en het oog zag geel. Het resultaat was de achromatische refractortelescoop - een type dat tegenwoordig bij veel amateurastronomen de voorkeur geniet vanwege het goedkope, kleine diafragma, het grote veld, maar - bij kortere brandpuntsafstanden - minder dan het ideale gebruik van beeldkwaliteit.
Het was pas halverwege de negentiende eeuw dat opticiens erin slaagden blauwviolet te krijgen om zich te concentreren op rood en groen. Die ontwikkeling kwam aanvankelijk voort uit het gebruik van exotische materialen (flourite) als een element in de doublet-doelstellingen van krachtige optische microscopen - geen telescopen. Drie-element telescoopontwerpen met standaard glastypes - drielingen - loste het probleem ook veertig jaar later op (net voor de twintigste eeuw).
De amateurastronomen van tegenwoordig kunnen kiezen uit een breed assortiment aan soorten telescopen en fabrikanten. Er is niet één ruimte voor alle luchten, ogen en hemelse studies. Problemen met vlakheid van het veld (vooral met snelle Newtoniaanse telescopen) en forse optische buizen (geassocieerd met grote refractoren) zijn aangepakt door nieuwe optische configuraties die in de jaren dertig van de vorige eeuw zijn ontwikkeld. Instrumenttypes - zoals de SCT (Schmidt-Cassegrain-telescoop) en MCT (Maksutov-Cassegrain-telescoop) plus Newton-achtige Schmidt- en Maksutov-varianten en schuine reflectoren - worden nu in de VS en over de hele wereld geproduceerd. Elk scooptype is ontwikkeld om een of andere geldige bezorgdheid aan te pakken met betrekking tot scoopgrootte, bulk, vlakheid van het veld, beeldkwaliteit, contrast, kosten en draagbaarheid.
Ondertussen stonden refractors centraal bij optofielen - mensen die de hoogst mogelijke beeldkwaliteit willen, ongeacht andere beperkingen. Volledig apochromatische (kleurgecorrigeerde) refractoren bieden enkele van de meest verbluffende beelden die beschikbaar zijn voor optische, fotografische en CCD-beeldvorming. Maar helaas, dergelijke modellen zijn beperkt tot kleinere openingen vanwege aanzienlijk hogere materiaalkosten (exotische kristallen en glas met lage dispersie), fabricage (maximaal zes optische oppervlakken moeten worden gevormd) en hogere dragende vereisten (vanwege zware schijven van glas ).
De verscheidenheid aan scooptypes van vandaag begon met de ontdekking dat twee lenzen met een ongelijke kromming tegen het oog konden worden gehouden om de menselijke waarneming over grote afstanden te transporteren. Zoals veel grote technologische vooruitgang, kwam de moderne astronomische telescoop voort uit drie fundamentele ingrediënten: noodzaak, verbeeldingskracht en een groeiend begrip van de manier waarop energie en materie op elkaar inwerken.
Dus waar kwam de moderne astronomische telescoop vandaan? De telescoop heeft zeker een lange periode van constante verbetering doorgemaakt. Maar misschien, heel misschien, is de telescoop in wezen een geschenk van het universum zelf dat in diepe bewondering door menselijke ogen, harten en geesten jubelt ...
-1 Er bestaan vragen over wie voor het eerst een bril heeft gemaakt ter correctie van vooruitziendheid en bijziendheid. Het is onwaarschijnlijk dat Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham of Roger Bacon op deze manier ooit een lens heeft gebruikt. Het probleem van herkomst is verwarrend de vraag hoe een bril eigenlijk werd gedragen. Het is waarschijnlijk dat het eerste visuele hulpmiddel eenvoudig als een monocle in het oog werd gehouden - de noodzaak om het van daaruit over te nemen. Maar zou zo'n primitieve methode historisch worden beschouwd als 'de oorsprong van het spektakel'?
-2 Het vermogen van een bepaald oculair om een noodzakelijk gebogen virtueel beeld te compenseren, wordt fundamenteel beperkt door een effectieve brandpuntsafstand en scope-archetectuur. Dus telescopen met een brandpuntsafstand die vele malen groter is dan hun diafragma, vertonen minder een momentane curve op het "beeldvlak". Ondertussen hebben scopes die aanvankelijk licht breken (zowel catadioptica als refractoren) het voordeel van een betere omgang met licht buiten de as. Beide factoren vergroten de kromtestraal van het geprojecteerde beeld en vereenvoudigen de taak van het oculair om een vlak veld voor het oog te presenteren.
Over de auteur:
Geïnspireerd door het meesterwerk uit het begin van de twintigste eeuw: "The Sky Through Three, Four en Five Inch Telescopes", kreeg Jeff Barbour op zevenjarige leeftijd een start in de astronomie en de ruimtevaartwetenschap. Momenteel besteedt Jeff veel van zijn tijd aan het observeren van de hemel en het onderhouden van de website Astro.Geekjoy.
