Lịch sử kính thiên văn Phần2

Kính thiên văn phản xạ.

Isaac Newton

Dường như kính khúc xạ (dioptrics) đã vướng phải một trở ngại rất khó vượt qua thuộc về bản chất của thấu kính : độ phóng đại càng cao càng ảnh bị viền màu không rõ nét.
Người ta cho rằng chất lượng bề mặt thấu kính không tốt đã gây nên hiện tượng này và cố sức hoàn thiện phương pháp gia công bề mặt thấu kính nhưng vẫn không thể giải quyết được vấn đề.

Năm 1666, Isaac Newton (1642-1727), khi đó mới 24 tuổi và cũng chỉ quan tâm nghiên cứu quang học có 2 năm, đã chứng minh ánh sáng trắng là tập hợp của các ánh sáng màu khác nhau: ánh sáng trắng đi qua lăng kính sẽ bị tách thành các màu như cầu vồng. Các vạch màu này gọi là quang phổ. Ông lý giải hiện tượng này là do chiết suất của thủy tinh đối với từng màu là khác nhau.

Ánh sáng trắng đi qua lăng kính bị tách thành màu cầu vồng

Thấu kính hội tụ cũng có tác dụng như một lăng kính : tách ánh sáng thành ra các màu và mỗi màu lại hội tụ tại một điểm khác nhau trên quang trục, ánh sáng xanh ít bị lệch nhất sẽ hội tụ ở xa hơn ánh sáng đỏ. Thấu kính có đường kính, độ cong càng lớn, sắc sai cũng cáng tăng cao.

Ảnh của một sao sáng ở độ phóng đại cao sẽ là một đốm tròn trong xanh ngoài viền đỏ (điểm 1) hoặc ngược lại (điểm 3)!
Hiện tượng này gọi là sắc sai

Ông kết luận sắc sai là bản chất của khúc xạ và chỉ có thể giải quyết sắc sai bằng cách dùng vật kính là gương cầu phản xạ thay cho thấu kính hội tụ.
Kết luận này chỉ đúng nửa phần, nửa sau là sai, Sir I.Newton vĩ đại cũng có lúc sai ! câu trả lời phủ định đến từ chính nước Anh với sự xuất hiện của thấu kính tiêu sắc có khả năng triệt bỏ (một phần) sắc sai. Nhưng đó là chuyện 60 năm sau, ta sẽ đề cập sau.
Với hiện tượng phản xạ thì lại khác, rõ ràng là tia sáng trắng dù có phản xạ bao nhiêu lần nó vẫn không thay đổi : Mọi tia sáng màu khác nhau đều phản xạ như nhau. Ảnh một vật qua gương không bị sắc sai.

Kính Newton.

Một phiên bản kính phản xạ Newton trưng bày tại viện bảo tàng

Lý thuyết về phản xạ trên gương lõm đã được biết từ thời Archimedes : chỉ có gương parabolloit mới hội tụ chùm tia sáng song song về một điểm. Nhưng Newton chế tạo gương cầu vì ông cho là cầu sai không quan trọng lắm với gương nhỏ, và chế tạo gương cầu dễ hơn gương parabol nhiều.

Newton đã chọn đồng bạch (speculum-hợp kim đồng thiếc) để đúc và mài thành gương vì đồng bạch khá trắng và dễ mài bóng. Năm 1668, sau nhiều lần thử nghiệm ông đã chế tạo thành công chiếc kính phản xạ nhỏ và đã dùng nó để quan sát các vệ tinh sao Mộc và pha của sao Kim.

Nguyên lý hoạt động của nó khá đơn giản :

Ánh sáng từ một sao ở xa sẽ phản xạ trên gương cầu AB và hội tụ về tiêu điểm của gương.
Gương CD đặt nghiêng 45o trên quang trục gương sẽ hướng chùm tia hội tụ ra ngoài ống kính, qua thị kính E đến mắt người quan sát.
Kiểu kính này, về sau được gọi là kính Newton.

Sau thành công này, ông đã làm một chiếc kính thứ 2 có độ phóng đại 38 lần để tặng cho Hội Hoàng gia Luân đôn năm 1672. Kính có gương đường kính 37mm tiêu cự 160mm.

Nhưng ý tưởng về dùng gương cầu làm vật kính đã được Niccolo Zucchi (1586-1670), nhà thiên văn người Ý, thực hiện trước khi Newton ra đời đến 26 năm! Năm 1616, N.Zucchi đã thiết kế và chế thử một kính thiên văn phản xạ. Với kính này, ông đã khám phá vòng mây trên sao Mộc (1630) và chỏm băng sao Hoả (1640). Các phát hiện này được công bố năm 1652, có thể đã gợi ý cho Newton và J.Gregory phát triển loại kính thiên văn của mình.

Không có nhiều thông tin về chiếc kính của Zucchi, nhưng nếu đã nhận dạng được chỏm băng sao Hoả, kính của ông ít nhất cũng tương đương với kính phản xạ phổ thông đường kính 76mm hiện nay. Nhưng không hiểu sao kính Newton lại được xem là "practical" hơn kính của Zucchi ?

Xa hơn nữa, trước Newton cả thế kỷ, Leonard Digges (1520 – 1559) đã được ghi nhận là đã chế tạo và xử dụng một loại kính phản xạ nào đó. Tiếc là Digges và Zucchi đã không ghi lại các thông tin mô tả chi tiết hay bản vẽ về kính của mình.
Vậy mà, có lẽ do tên tuổi quá lớn của Newton, với nhiều người, kính phản xạ vẫn được xem là phát minh của Newton, cũng như tên kính khúc xạ được gắn liền với Galile vậy.

Ở đây chúng ta có thể ghi nhận I.Newton là người đầu tiên thiết kế và chế tạo kính phản xạ với mục đích đề ra rõ là để loại bỏ sắc sai. Và khi mục tiêu đã hoàn thành, ông nhanh chóng chuyển sang các mục tiêu khác. Có lẽ chính điều này đã làm nên Newton vĩ đại.

Kính thiên văn Gregory

Sau N.Zucchi, James Gregory (1638-1675) nhà toán học và thiên văn người Scotland, là người đã thực sự đi trước đi trước Newton với bản thiết kế một loại kính phản xạ khác, kính Gregory, vào năm 1663.

Điểm khác biệt so với kính Newton là ông dùng một gương lõm thứ 2 đặt sau tiêu điểm của gương thứ 1 (gọi là gương sơ cấp) để hướng chùm tia phản xạ qua một lỗ trên gương thứ cấp.

Gương thứ 2 này sẽ có tác dụng "phóng đại" thêm một lần nữa nên kính Gregory sẽ có chiều dài ngắn hơn nhiều so với kính Newton có cùng tiêu cự. Đây là một ưu điểm rất lớn của kính Gregory. Ưu điểm thứ 2 của kính Gregory là hình ảnh nhận được không bị ngược chiều như kính Kepler và Newton, điều này rất tiện khi dùng kính như ống nhòm quan sát trên mặt đất.

Sơ đồ cấu tạo kính thiên văn của James Gregory

Một nghịch lý đã xảy ra ! Kính Newton ra đời sau mấy năm lại "kém " hơn kính Gregory trước đó 5 năm !Ở đây ta có thể dần hiểu khái niệm "practical" . Kính phản xạ chỉ loại bỏ được sắc sai, cầu sai vẫn còn nếu vẫn dùng gương cầu, mà thời kỳ này vẫn chưa có phương pháp kiểm tra chính xác dạng bề mặt gương. Kính Gregory dùng đến 2 gương và gương sau sẽ "phóng đại" tiếp quang sai của gương thứ nhất. Newton đã dùng gương phẳng để tránh khuyết điểm này và nhanh chóng đạt mức "practical" : Chất lượng hình ảnh "dễ chấp nhận" hơn kính Gregory cùng thông số.!

Thiết kế của J. Gregory thực sự khó chế tạo và nó nằm trên giấy mãi đến hơn 60 năm sau mới được John Hadley (1682-1744) chế tạo thành công vào năm 1726 với chiếc kính có gương 5cm, tiêu cự 30cm.

Sau đó từ năm 1732, James Short cũng đã chế tạo thành công nhiều kính thiên văn kiểu Gregory.

Kính Gregory của James Short

Kính Cassegrain
Chỉ vài năm sau Newton, một loại kính phản xạ khác đã ra đời : kính Cassegrain, dường như do Laurent Cassegrain (1629-1693) một linh mục và là giáo viên người Pháp thiết kế.

Kính Cassegrain khá giống kính Gregory, chỉ khác là gương thứ cấp là gương hyperbol lồi và đặt trong tiêu cự gương parabol sơ cấp. Chùm tia phản xạ cũng đi qua lỗ ở tâm gương sơ cấp. Gương lồi thứ cấp cũng có tác dụng tăng độ phóng đại như kính Gregory.

Một cái giống nữa, mà không ai mong muốn, là bản vẽ này cũng nằm yên trên giấy vì nó thậm chí còn khó chế tạo hơn cả kính Gregory !
Loại kính "khó chịu" này đã bị bỏ quên gần 200 năm, cho đến khi người ta tìm ra phương pháp kiểm tra dạng bề mặt gương cầu lồi và chế tạo thành công kính Cassegrain chất lượng tốt.

Với ưu điểm chiều dài ống kính ngắn ( có thể chỉ bằng 1/3 hoặc ngắn hơn nữa) so với kính Newton cùng tiêu cự, Kính Cassegrain rất dễ gá lắp và xử dụng. Giá dành cho kính Cassegrain cũng dễ chế tạo hơn, đặc biệt là với các kính lớn. Kính Cassegrain hiện nay trở nên rất phổ biến với nhiều biến thể khác nhau. Các thế hệ kính phản xạ lớn sau này đều là những "hậu duệ" của kính Cassegrain.

Kính thiên văn phản xạ cấu tạo theo kiểu Cassegrain đường kính 16in (40cm) tại đài thiên văn ĐHSP Hà Nội

Trong vòng 9 năm đã có đến 3 kiểu kính phản xạ ra đời nhưng chưa có kính nào có khả năng thay thế những chiếc kính khúc xạ khổng lồ thông dụng vào thời đó. Chiếc kính thứ 2 của Newton có mặt tại Hội Hoàng gia Luân đôn chỉ như là một prototype-bản mẫu có tính trang trí hơn là thực dụng vì độ phóng đại và độ mở quá nhỏ.

Có khá nhiều tranh cãi về 3 kiểu kính phản xạ này : loại nào tốt hơn, ít quang sai hơn, dễ chế tạo hơn và phần thắng lúc này tạm nghiêng về phía kính Newton.

Thật ra chúng đều rất khó chế tạo thật tốt. Newton đã có những mối quan tâm khác, không còn chú ý đến kính phản xạ nữa. Nhiều người đã cố mài gương to hơn theo phương pháp của Newton nhưng không thành công. Về sau từ các công trình của Raigley () người ta mới biết độ chính xác bề mặt gương phản xạ phải đạt đến mức λ /8 (với λ- lamda- là bước sóng ánh sáng) tức là khoảng 70nm, cao hơn gấp 2 so với thấu kính (chỉ cần đạt mức λ /4).

Robert Hooke(1635-1703), cha đẻ của kính hiển vi, một thành viên uy tín của Hội Hoàng gia thích thiết kế của J.Gregory hơn và đã từng chế tạo thử vào năm 1674 nhưng không thành công.

Mãi đến gần 50 năm sau, năm 1722, John Hadley (1682-1744) chế tạo một kính kiểu Newton lớn hơn và trưng bày tại Hội Hoàng gia Anh quốc. Kính này có gương đồng bạch đường kính 15cm, tiêu cự 159cm và ghép cố định với 1 thị kính cho độ phóng đại 230 lần.

J.Hadley đã tìm ra phương pháp kiểm tra dạng bề mặt gương và công nghệ mài tạo dạng bề mặt chính xác cho gương cầu.
Với các thông số trên, kính này chỉ vào loại "mở tay" của giới chế tạo kính thiên văn nghiệp dư (ATM) thời nay nhưng lúc đó nó được xem như là một thành công lớn của loại kính thiên văn phản xạ Newton.

Theo đánh giá của Hội Hoàng gia, kính phản xạ của Hadley có độ phóng đại tương đương với chiếc kính khúc xạ tiêu cự dài 123ft (40m) của C.Huygens chế tạo cho Hội trước đó. Kính cho hình ảnh rõ mặc dù không thật sự trong và sáng cho lắm.!
Có vẻ như nhận xét này là xác đáng và là một lời ca ngợi khi so sánh anh chàng "hạt tiêu" 1,6m có độ mở (tỉ số dường kính /tiêu cự vật kính) F 10.6 so với người khổng lồ 40m của Huygens! Kính khúc xạ thời đó không thể chế tạo với độ mở này mà không bị quang sai dữ dội.

Với chiều dài ống kính chỉ khoảng 1,6m việc xử dụng kính trở nên rất dễ dàng.
Hình ảnh không đủ sáng là do chất liệu gương vẫn là đồng bạch, hệ số phản xạ chỉ khoảng 60%, qua phản xạ 2 lần, gương sơ cấp và gương chéo, lượng ánh sáng tới gương chỉ còn khoảng 36% tức là chỉ tương đương với vật kính khúc xạ đường kính 90mm !
Ngoài ra đồng bạch còn có một khuyết điểm lớn là để phản xạ tốt gần như toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến, tỉ lệ thiếc trong hợp kim phải tăng cao, đồng bạch sẽ trắng hơn, nhưng lại rất mau bị oxy hóa, ố đen phải thường xuyên đánh bóng lại. Thao tác đánh bóng lại gương đòi hỏi phải rất thận trọng để không làm hỏng dạng cầu chính xác của gương.
Phương pháp mài gương của Haddley về nguyên tắc cũng gần giống như giới nghiệp dư chúng ta vẫn làm hiện nay. Với đồng bạch, gương phải được mài lồi mặt sau để bề dày gương gần như không đổi nhằm tránh biến dạng gương khi nhiệt độ thay đổi. Gương được mài trên đĩa thép và bột mài đến độ sâu cần thiết, sau đó được mài bóng bằng hắc ín (nhựa đường) và bột oxid sắt.
Phương pháp kiểm tra dạng bề mặt gương của ông chính là phương pháp star test (kiểm tra bằng quan sát sao) mà ta vẫn dùng ngày nay.

Thành công và kinh nghiệm của Hadley đã khuyến khích và giúp nhiều người khác tham gia chế tạo kính thiên văn phản xạ trong đó có cả những nhà thiên văn, nhà vật lý, nhà sản xuất kính như James Short, Molyneux...và cả những "tay mơ" yêu thích thiên văn.
Một trong những "tay mơ" đó đã trở thành một nhà thiên văn chuyên nghiệp với những khám phá quan trọng qua những chiếc kính khổng lồ do chính tay mình chế tạo : William Herschel. Ông xứng đáng để chúng ta dành một chương riêng về cuộc đời và các công trình của mình.

Lê Quang Thủy -HAAC