טלסקופ מחזיר אור

טלסקופ מחזיר אור (באנגלית: Reflecting telescope), הוא טלסקופ אופטי בו מותקנת מראה או שילוב של מספר מראות, המשקפות את האור הפוגע בהן ליצירת תמונה. הטלסקופ מחזיר האור הומצא במאה ה-17 על ידי אייזק ניוטון כתחליף לטלסקופ שובר האור מבוסס העדשה, שסבל באותו זמן מבעיית אברציה כרומטית.

לשימוש במראות יש שני יתרונות גדולים:

• אין זה מעשי לבנות טלסקופ מבוסס־עדשה בקוטר גדול. בעקבות זאת, כל טלסקופ לו קוטר הגדול ממטר הוא טלסקופ מחזיר־אור. בשל כך, רובם המוחלט של הטלסקופים המשמשים למחקר בימינו הם למעשה טלסקופים מחזירי אור.
• טלסקופים מחזירי־אור, קטנים ובינוניים - זולים כמה מונים מטלסקופים שוברי־אור בקוטר זהה.

אך מנגד, איכות התמונה המתקבלת בטלסקופ שובר־אור היא באיכות גבוהה ביותר; וזאת, לא בת מימוש בכל טלסקופ מחזיר־אור.

ב-1668 תכנן ניוטון את טלסקופ המראות הראשון. הרעיון לטלסקופ מסוג זה תפס תאוצה זמן רב קודם לכן, אך הרעיון לא היה בר-מימוש; מאות שנים חלפו עד שהתקדמה טכנולוגיית ייצור המראות לרמה טובה דיה - טובה מספיק להתחרות בעדשות.

היסטוריה

הרעיון שמראה קעורה מתנהגת כמו עדשה מוזכר עוד במאה ה-11 על ידי אבן אל-היית'ם (Alhazen). זמן קצר לאחר המצאת טלסקופ שובר אור (אחד משלושת הסוגים של טלסקופ אופטי), גלילאו, ג'ובאני פרנצ'סקו סגרדו, ואחרים, בעידוד הידע שלהם על העקרונות של מראות קמורות, דנו ברעיון של בניית טלסקופ תוך שימוש במראה. היו דיווחים כי בולונז סיזר קרוואצ'י (Bolognese Cesare Caravaggi) בנה טלסקופ מחזיר אור בסביבות 1626 והפרופסור האיטלקי ניקולו זוקי, בעבודה מאוחרת יותר שלו, כתב שהתנסה במראה קעורה בשנת 1616, אך לא הצליח לייצר מראה מדויקת דיה והטלסקופ סבל ממספר בעיות אופטיות. היתרונות הפוטנציאליים של שימוש במראות פרבוליות, הובילו לעיצובים מוצעים רבים לטלסקופים מחזירי אור. אחד הרעיונות הבולטים ביותר היה של ג'יימס גרגורי בשנת 1663 והוא אף הפך למה שנקרא היום טלסקופ גרגוריאני, אמנם שום מודל עובד לא נבנה עד שנת 1673, בה נבנה הדגם הראשון על ידי רוברט הוק.

אייזק ניוטון בנה את הטלסקופ מחזיר האור הראשון ב-1668; טלסקופ זה מוכר כיום בתור טלסקופ ניוטוני.

למרות היתרונות התאורטיים של עיצוב הטלסקופ מחזיר האור, הקושי בבנייה והביצועים הירודים של מראות המצופות בסגסוגת ארד (Speculum Metal) שהיו בשימוש באותם זמנים גרמו לטלסקופים מחזירי האור לא להיכנס לשימוש נרחב במשך יותר מ-100 שנים לאחר המצאתם. שיפורים רבים שנעשו בתכנון טלסקופי המראות לאורך השנים כללו ייצור מראות פרבוליות באופן מושלם, במאה ה-18, שימוש במראות זכוכית המצופות בכסף - שהיה צורך לצפות מחדש את המראה לעיתים תכופות בשל התחמצנות הכסף. במאה ה-19 החלו להשתמש בציפוי אלומיניום שממשיך לתפקד לאורך זמן של שנים. בסוף מאה ה-20 החלו להשתמש במראות רבות על מנת לאפשר קטרים גדולים יותר בטלסקופ (טלסקופ רב-מראות), ובאופטיקה פעילה, שמגדילה באופן ניכר את דיוקם של טלסקופים אופטיים על ידי כוונון מתמיד של עקמומיות המשטחים מחזירי האור ומפצה בכך על עיוותים הנגרמים ממעבר האור דרך האטמוספירה.

חידוש נוסף במאה ה-20 הוא הטלסקופ הקטדיופטרי, שמשלב עדשה מתקנת דקה וזולה לייצור בפתחו הקדמי. טלסקופים מקצועיים רבים בגודל בינוני עושים שימוש בתכנון זה מסוג ריצ'י־קרטיין.

לאורך המאה ה-20 כל הטלסקופים הגדולים שנבנו היו מחזירי אור, ומגמה זו עדיין צפויה להימשך מאחר שלא ניתן לייצר עדשה גדולה - הגבול העליון אליו הגיעו בקושי ניכר הוא עדשה בקוטר של מטר אחד בלבד. עדשה גדולה מכך מתעוותת בשל משקלה העצמי, בעוד מראה זוכה לתמיכה בכל חלקה האחורי.

יתרונות השימוש בטלסקופ מחזיר אור

כמעט כל טלסקופי המחקר הגדולים באסטרונומיה הם טלסקופים מחזירי אור. ישנן מספר סיבות לכך:

• טלסקופים מחזירי אור עובדים בספקטרום רחב יותר של אור מכיוון שאורכי גל מסוימים נספגים כאשר הם עוברים דרך אלמנטים מזכוכית כמו אלה בטלסקופ שובר אור או בטלסקופ קטדיופטרי (אחד משלושת הסוגים של טלסקופ אופטי).
• על מנת לייצר עדשה בטלסקופ שובר אור, יש ללטש שני משטחים של זכוכית בדיוק האופטי הנדרש, שהוא מסדר גודל של אורך גל, כלומר כמה אלפי אנגסטרם. במראה של טלסקופ מחזיר אור, התכונות האופטיות הרצויות מתקבלות ממשטח אחד ויחיד.
• ייצור גוש זכוכית ברמה הנדרשת לשמש לעדשת טלסקופ אינו עניין של מה בכך. על הזכוכית להיות נקייה מלכלוך, סדקים ובועיות, וצפיפותה חייבת להיות אחידה. הקושי בייצור זכוכית מתאימה עולה בחזקה שלישית של קוטר העדשה.
• אלומת האור המוחזרת על ידי מראה, חופשית מעיוותים כרומטיים ולוקה בדרך כלל בעיוותים גאומטריים פחות מאלומת אור שעברה תהליך שבירה בעדשה בטלסקופ שובר אור.
• מכיוון שעדשה יכולה להיתמך רק על ידי הקצה שלה, מרכז עדשה גדולה מכביד ומעוות את העדשה לאורך קוטר כולה, ולכן לעיוות התמונה המתקבלת בסוף. גודל העדשה הפרקטית הגדולה ביותר לטלסקופ שובר אור היא בערך מטר אחד. אין הדבר כך לגבי מראה, שאותה ניתן לתמוך בחלקה האחורי על פני כל שטחה והיא אינה מתעקמת עקב כוח הכבידה. גודל טלסקופ המראות הגדול ביותר כרגע הוא עשרה מטרים ובטכנולוגיה הנוכחית ניתן לבנות, בהינתן תקציב וזמן, טלסקופ בקוטר כפול ויותר.
• מרחק המוקד של מראה פרבולית קצר בדרך כלל בהרבה ממרחק המוקד של עדשה בעלת מיפתח דומה. לכן, טלסקופים מחזירי אור קצרים בהרבה מטלסקופים שוברי אור, ולפיכך נוחים יותר לתפעול ולאחזקה.
• טלסקופ מחזיר אור עולה פחות מטלסקופ שובר אור בשל העלות הנמוכה של ייצור המראות ביחס לייצור העדשות הנדרשות לטלסקופ שובר אור.

שימושים טכנולוגיים ובמחקרים באסטרונומיה

היקום עצום בגדלו, והרוב המכריע של הכוכבים והגלקסיות רחוקים כך שלא ניתן לראותם ללא טלסקופ. על מנת לצפות בגרמי שמים קלושי אור יש לאסוף אור ככל האפשר, מה שמחייב קוטר גדול ככל האפשר של הטלסקופ - יכולת איסוף האור של טלסקופ פרופורציונית לריבוע קוטר המראה, כך שטלסקופ גדול פי 2 אוסף פי 4 אור.

בנוסף וחשוב אף יותר, כושר ההפרדה של טלסקופ עולה עם קוטר המראה.

מאחר שרק טלסקופים מחזירי אור ניתן לבנות בקוטר העולה על מטר, כל הטלסקופים הגדולים די הצורך למחקר הם מחזירי אור.

בניית טלסקופ גדול אורכת שנים, כשהחלק הארי של הזמן מוקדש ליציקת וליטוש המראה הראשית.

טלסקופ החלל "האבל"

טלסקופ החלל האבל קרוי על שמו של האסטרונום האמריקאי אדווין האבל. הוא טלסקופ מחזיר אור בעל מראה ראשית בקוטר של 2.4 מטרים. לשימוש בטלסקופ חלל, שנמצא מחוץ לאטמוספירת כדור הארץ, יש מספר יתרונות על פני טלסקופים המוצבים על הקרקע; חדות תמונה גבוהה, מניעת הפרעות ועיוותים שיוצרת האטמוספירה ויכולת צילום באור על סגול ותת אדום שאינה אפשרית בתצפית מהקרקע בשל סינונם על ידי האטמוספירה.

טלסקופ האבל הוא טלסקופ מחזיר אור מסוג ריצ'י-קרטיין. היתרון בשימוש במראות על פני שימוש בעדשות הוא במניעת עיוות צבע. לשימוש בטלסקופ ריצ'י-קרטיין, שבנוי ממראה ראשית ומראה משנית היפרבוליות, יש יתרונות נוספים משום שתכנון זה מקטין למינימום את העיוות של עצם שלא נמצא על הציר הראשי ואת המריחה של עצם נקודתי. עקב הקושי להגיע לליטוש מדויק של המראות ההיפרבליות, משתמשים בטלסקופים מסוג ריצ'י-קרטיין רק בפרויקטים גדולים, ועל מנת להגיע לדיוק גבוה בליטוש יש צורך להשתמש במכשירי מדידה יקרים למדי. הטלסקופ הוצב במסלולו ב-25 באפריל 1990 ומאז הפך לכלי מחקר מרכזי בתחומי האסטרונומיה והאסטרופיזיקה. הוא צפה ביותר מ-14,000 מטרות שטווח המרחקים שלהן נע מגופים במערכת השמש עד לגלקסיות הרחוקות ביותר שצולמו מאז ומעולם.

עיצובים של טלסקופ מראות

גרגוריאני

טלסקופ גרגוריאני מתואר על ידי האסטרונום והמתמטיקאי הסקוטי ג'יימס גרגורי בשנת 1663 בספרו Optica Promota. הטלסקופ מורכב ממראה קעורה משנית שמחזירה את הדמות דרך חור במראה הראשית. התוצאה המתקבלת היא דמות ישרה, דבר זה שימושי לתצפית יבשתית. ישנם מספר טלסקופים קטנים שעדיין מיוצרים בשיטה זו.

• 

ניוטוני

טלסקופ ניוטון היה הטלסקופ המחזיר המוצלח הראשון, שהושלם על ידי אייזק ניוטון בשנת 1668. בטלסקופ ניוטוני מותקנת מראה ראשית בעלת חתך של פרבולה, המרכזת את קרני האור לעבר מראה משנית שטוחה. המראה המשנית מוחזקת בזווית בת 45 מעלות לציר האופטי של המראה הראשית, וכך מחזירה את חרוט האור המתקבל מן המראה הראשית לצד הטלסקופ, בו ממוקמת עדשת העינית. זהו אחד התכנונים הפשוט ביותר והזול ביותר עבור מראה ראשית כזו, והוא מאוד פופולרי לבונים חובבנים של טלסקופים כפרויקט ביתי.

• 

סוגי טלסקופים קסגריינים

הטלסקופ הקסגרייני הקלאסי פורסם לראשונה בשנת 1672 על ידי לורן קסגריין. הוא מורכב ממראה פרבולית ראשית, ומראה היפרבולית משנית שמחזירה את האור דרך חור במראה הראשית. הקיפול והפיזור של המראה השנייה יוצר טלסקופ עם אורך מוקד ארוך בזמן שהאורך הפיזי של הטלסקופ קצר יותר.

• 

טלסקופ ריצ'י-קרטיין שהומצא על ידי ג'ורג' וויליס ריצ'י והנרי קרטיין בתחילת שנת 1910, הוא טלסקופ קסגרייני מיוחד המכיל שתי מראות היפרבוליות (במקום מראה פרבולית). הוא מתאים לתצפיות בשטח פתוח. כמעט כל טלסקופ מחזיר אור מקצועי בעולם הוא בעיצוב ריצ'י-קרטיין.

טלסקופ דאל-קירקהם הוא עיצוב של טלסקופ קסגרייני שהומצא על ידי הוריס גאל בשנת 1928. הוא משתמש במראה קעורה אליפטית כמראה ראשית ומראה קמורה ספירית (כדורית) כמראה משנית.

עיצובים נוספים

בנוסף לטלסקופים אלו, ישנם עוד מספר טלסקופים שבהמצאתם יוחסה חשיבות לכך שבעיצובים אחרים המראה המשנית מפזרת חלק מהאור המגיע, ולכן יוצרו בצורה כאת שאלמנטים בטלסקופ אינם יפריעו למעבר התקין של האור:

טלסקופ הרשליאני הוא טלסקופ מראות על שמו של ויליאם הרשל, ששימש אותו לבניית טלסקופים גדולים יחסית לתקופה. בעיצוב זה, המראה הראשית מוטת הצידה כדי שראשו של הצופה לא יסתיר את האור הנכנס לטלסקופ. הרשל השתמש בעיצוב הזה כדי להימנע משימוש במראה משנית מכיוון שהחומר שהשתמשו בו למראות באותה תקופה החליד במהירות, מה שדרש ציפוי או אף ליטוש מחדש.

טלסקופ שיפספיגלר הוא טלסקופ שבו נמנעים משימוש במראה משנית בצורה שתטיל צל על המראה הראשית, ולכן מטים את המראה הראשית ושמים בהמשך דרכם של הקרניים המוחזרות ממנה את המראה המשנית, דבר גורם לעיוות בתמונה אך מעלה את הקונטרסט לרמה הגבוהה ביותר מכל סוגי הטלסקופים.

בדומה לטלסקופ שייפספיגלרי, ישנו עיצוב בשם YOLO שגם משתמש במראה ראשית מוטת, אך אצלו למראה המשנית ולראשית יש את אותה הקמירות, ובעיצוב זה יש החדות טובה יותר וישנם פחות עיוותים.

בניית טלסקופ מראות

לשם בניית טלסקופ מראות יש לחשב את "מרחק המוקד" של המראה הראשית - מראה קמורה ולא קטנה. ביום שמשי ניתן לשים פיסת נייר לבן ולהחזיק את המראה עד שהיא משקפת את אור השמש על הנייר. יש להתאים את המראה הראשית עד שאפשר לראות את אור השמש מרוכז בנקודה על הנייר. המרחק בין המראה והנייר בשלב זה הוא "מרחק המוקד". למראה מתאימים גליל קרטון בקוטר הדומה לזה של המראה הקעורה. אורך גליל הקרטון חייב להיות לפחות עד לאורך המוקד שנמדד. המראה הקעורה מותקנת באחד הקצוות של הגליל כאשר הצד הקעור פונה פנימה. על הגליל, במרחק של 10 סנטימטרים ממיקום המראה מציבים את העינית, שהיא גליל קרטון קטן יותר.

מתחת לחור העינית מתקינים פיסת עץ החוצה את הגליל הגדול משני צידיו. פיסת העץ תומכת במראה משנית - מראה קטנה ושטוחה המונחת בזווית של °45 מעלות מתחת לחור העינית, . כך שקרני האור מוסטות מהמראה הקעורה אל העינית. העינית מורכבת מגליל קטן שמוכנס לגליל הגדול ומאפשר הזזה קלה אחורה וקדימה על מנת לאפשר למקד את התמונה הסופית.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא טלסקופ מחזיר אור בוויקישיתוף