Wenn Sie darüber nachdenken, war es nur eine Frage der Zeit, bis das erste Teleskop erfunden wurde. Seit Jahrtausenden sind die Menschen von Kristallen fasziniert. Viele Kristalle - zum Beispiel Quarz - sind vollständig transparent. Andere - Rubine - absorbieren einige Lichtfrequenzen und lassen andere durch. Das Formen von Kristallen zu Kugeln kann durch Spalten, Taumeln und Polieren erfolgen - dies entfernt scharfe Kanten und rundet die Oberfläche ab. Das Präparieren eines Kristalls beginnt mit dem Auffinden eines Fehlers. Durch das Erstellen einer Halbkugel - oder eines Kristallsegments - werden zwei verschiedene Oberflächen erstellt. Licht wird von der konvexen Vorderseite gesammelt und von der planaren Rückseite auf einen Konvergenzpunkt projiziert. Da Kristallsegmente starke Kurven aufweisen, kann der Fokuspunkt sehr nahe am Kristall selbst liegen. Aufgrund der kurzen Brennweiten sind Kristallsegmente bessere Mikroskope als Teleskope.
Es war nicht das Kristallsegment - sondern die Glaslinse -, das moderne Teleskope ermöglichte. Konvexlinsen wurden aus Glas geschliffen, um die Weitsicht zu korrigieren. Obwohl sowohl Brillen als auch Kristallsegmente konvex sind, weisen weitsichtige Linsen weniger starke Kurven auf. Lichtstrahlen sind nur geringfügig von der Parallele gebogen. Aus diesem Grund ist der Punkt, an dem das Bild Gestalt annimmt, viel weiter von der Linse entfernt. Dies erzeugt einen Bildmaßstab, der groß genug für eine detaillierte menschliche Inspektion ist.
Die erste Verwendung von Linsen zur Verbesserung der Sicht kann bis in den Nahen Osten des 11. Jahrhunderts zurückverfolgt werden. In einem arabischen Text (Opticae Thesaurus des Wissenschaftlers und Mathematikers Al-hazen) wird darauf hingewiesen, dass Segmente von Kristallkugeln zur Vergrößerung kleiner Objekte verwendet werden könnten. Im späten 13. Jahrhundert soll ein englischer Mönch (möglicherweise unter Bezugnahme auf Roger Bacons Perspectiva von 1267) die ersten praktischen Nahfokusbrillen geschaffen haben, die beim Lesen der Bibel helfen sollen. Erst 1440 erdete Nikolaus von Cusa die erste Linse, um Kurzsichtigkeit -1 zu korrigieren. Und es würde weitere vier Jahrhunderte dauern, bis Defekte in der Linsenform selbst (Astigmatismus) durch eine Brille unterstützt würden. (Dies wurde vom britischen Astronomen George Airy 1827 etwa 220 Jahre nach einem anderen - bekannteren Astronomen - Johann Kepler erreicht, der die Wirkung von Linsen auf das Licht erstmals genau beschrieb.)
Die frühesten Teleskope entstanden unmittelbar nach der Etablierung des Brillenschleifens als Mittel zur Korrektur von Myopie und Presbyopie. Da weitsichtige Linsen konvex sind, sind sie gute „Lichtkollektoren“. Eine konvexe Linse nimmt parallele Strahlen aus der Entfernung auf und biegt sie zu einem gemeinsamen Fokuspunkt. Dadurch entsteht ein virtuelles Bild im Raum, das mit einem zweiten Objektiv genauer untersucht werden kann. Eine Sammellinse hat zwei Vorteile: Sie kombiniert Licht miteinander (erhöht seine Intensität) und verstärkt die Bildskala in einem Ausmaß, das möglicherweise weitaus größer ist, als es das Auge allein kann.
Konkave Linsen (zur Korrektur von Kurzsichtigkeit) spreizen das Licht nach außen und lassen die Dinge für das Auge kleiner erscheinen. Eine konkave Linse kann die Brennweite des Auges erhöhen, wenn das augeneigene System (feste Hornhaut und Morphing-Linse) ein Bild nicht auf die Netzhaut fokussiert. Konkavlinsen sind gute Okulare, da sie es dem Auge ermöglichen, das von einer konvexen Linse aufgenommene virtuelle Bild genauer zu untersuchen. Dies ist möglich, weil konvergente Strahlen von einer Sammellinse durch eine Konkavlinse in Richtung der Parallele gebrochen werden. Der Effekt besteht darin, ein virtuelles Bild in der Nähe wie in großer Entfernung anzuzeigen. Eine einzelne Konkavlinse ermöglicht es der Augenlinse, sich zu entspannen, als ob sie auf unendlich fokussiert wäre.
Die Kombination von konvexen und konkaven Linsen war nur eine Frage der Zeit. Wir können uns das allererste Mal vorstellen, dass Kinder mit der Arbeit des Linsenschleifers des Tages spielten - oder möglicherweise, als der Optiker sich berufen fühlte, eine Linse mit einer anderen zu inspizieren. Eine solche Erfahrung muss fast magisch gewirkt haben: Ein entfernter Turm taucht sofort auf, als würde er sich am Ende eines langen Spaziergangs nähern; unerkennbare Figuren werden plötzlich als enge Freunde gesehen; natürliche Grenzen - wie Kanäle oder Flüsse - werden übersprungen, als ob Merkurs eigene Flügel an den Heilungen befestigt wären ...
Als das Teleskop entstand, stellten sich zwei neue optische Probleme. Lichtsammellinsen erzeugen gekrümmte virtuelle Bilder. Diese Kurve ist leicht "schalenförmig", wobei der Boden dem Betrachter zugewandt ist. Dies ist natürlich genau das Gegenteil davon, wie das Auge selbst die Welt sieht. Denn das Auge sieht die Dinge wie auf einer großen Kugel angeordnet, deren Zentrum auf der Netzhaut liegt. Es musste also etwas getan werden, um die Umfangsstrahlen zurück zum Auge zu lenken. Dieses Problem wurde in den 1650er Jahren teilweise von dem Astronomen Christiaan Huygens gelöst. Dazu kombinierte er mehrere Linsen als Einheit. Die Verwendung von zwei Linsen brachte mehr periphere Strahlen von einer Sammellinse in Richtung der Parallele. Das neue Okular von Huygen hat das Bild effektiv abgeflacht und es dem Auge ermöglicht, den Fokus über ein breiteres Sichtfeld zu erreichen. Aber dieses Feld würde bei den meisten Beobachtern von heute immer noch Klaustrophobie auslösen!
Das letzte Problem war schwieriger zu lösen: Brechungslinsen biegen Licht basierend auf Wellenlänge oder Frequenz. Je höher die Frequenz, desto stärker wird eine bestimmte Lichtfarbe gebogen. Aus diesem Grund werden Objekte, die Licht verschiedener Farben anzeigen (polychromatisches Licht), nicht am gleichen Fokuspunkt über das elektromagnetische Spektrum gesehen. Grundsätzlich wirken Linsen ähnlich wie Prismen - sie erzeugen eine Farbverteilung, von denen jede ihren eigenen Schwerpunkt hat.
Das erste Teleskop von Galileo löste nur das Problem, ein Auge nahe genug zu bekommen, um das virtuelle Bild zu vergrößern. Sein Instrument bestand aus zwei Linsen, die durch einen kontrollierten Abstand voneinander getrennt werden konnten, um den Fokus einzustellen. Die Objektivlinse hatte eine weniger starke Kurve, um Licht zu sammeln und es je nach Farbfrequenz zu verschiedenen Fokuspunkten zu bringen. Die kleinere Linse - mit einer stärkeren Kurve mit kürzerer Brennweite - ermöglichte es Galileos beobachtendem Auge, sich dem Bild zu nähern, um vergrößerte Details zu sehen.
Das Zielfernrohr von Galileo konnte jedoch nur nahe der Mitte des Sichtfelds des Okulars fokussiert werden. Der Fokus konnte nur auf der Grundlage der dominanten Farbe eingestellt werden, die von Galileo zu dieser Zeit ausgegeben oder reflektiert wurde. Galileo beobachtete normalerweise helle Studien - wie den Mond, die Venus und den Jupiter - mit einem Blendenstopp und war stolz darauf, auf die Idee gekommen zu sein!
Christiaan Huygens schuf das erste - Huygenian - Okular nach der Zeit von Galileo. Dieses Okular besteht aus zwei plankonvexen Linsen, die der Sammellinse zugewandt sind - nicht einer einzigen Konkavlinse. Die Brennebene der beiden Linsen liegt zwischen dem Objektiv und den Augenlinsenelementen. Die Verwendung von zwei Linsen glättete die Kurve des Bildes - jedoch nur über einen Punkt oder so Grad des scheinbaren Sichtfelds. Seit Huygens Zeit sind Okulare viel raffinierter geworden. Ausgehend von diesem ursprünglichen Konzept der Vielfalt können die heutigen Okulare ein weiteres halbes Dutzend optischer Elemente hinzufügen, die sowohl in Form als auch in Position neu angeordnet sind. Amateurastronomen können jetzt Okulare von der Stange kaufen, die einigermaßen flache Felder mit einem scheinbaren Durchmesser von mehr als 80 Grad 2 ergeben.
Das dritte Problem - das von chromatisch gefärbten Mehrfarbenbildern - wurde in der Teleskopie erst gelöst, als Sir Isaac Newton in den 1670er Jahren ein funktionierendes Reflektorteleskop entwarf und konstruierte. Dieses Teleskop beseitigte die Sammellinse vollständig - obwohl immer noch ein feuerfestes Okular erforderlich war (was weitaus weniger zur „falschen Farbe“ beiträgt als das Objektiv).
In der Zwischenzeit sollten frühe Versuche, den Refraktor zu reparieren, ihn einfach verlängern. Es wurden Bereiche mit einer Länge von bis zu 140 Fuß entwickelt. Keiner hatte besonders exorbitante Linsendurchmesser. Solche spindeldürren Dynasaurier erforderten einen wirklich abenteuerlustigen Beobachter - aber sie haben das Farbproblem „abgeschwächt“.
Trotz der Beseitigung von Farbfehlern hatten auch frühe Reflektoren Probleme. Newtons Zielfernrohr verwendete einen sphärisch geschliffenen Spekulumspiegel. Im Vergleich zur Aluminiumbeschichtung moderner Reflektorspiegel ist Spekulum eine schwache Leistung. Bei ungefähr drei Vierteln der Lichtsammelfähigkeit von Aluminium verliert das Spekulum etwa eine Größe an Lichtgriff. So verhielt sich das von Newton entwickelte Sechs-Zoll-Instrument eher wie ein zeitgemäßes 4-Zoll-Modell. Dies war jedoch nicht der Grund, warum Newtons Instrument schwer zu verkaufen war. Es lieferte lediglich eine sehr schlechte Bildqualität. Und dies war auf die Verwendung dieses sphärisch geschliffenen Primärspiegels zurückzuführen.
Newtons Spiegel brachte nicht alle Lichtstrahlen in den gemeinsamen Fokus. Der Fehler lag nicht beim Spekulum, sondern bei der Form des Spiegels, der - wenn er um 360 Grad verlängert würde - einen vollständigen Kreis bilden würde. Ein solcher Spiegel ist nicht in der Lage, zentrale Lichtstrahlen auf den gleichen Fokuspunkt zu bringen wie diejenigen, die sich näher am Rand befinden. Erst 1740 korrigierte der Schotte John Short dieses Problem (für Licht auf der Achse) durch Parabolisieren des Spiegels. Short hat dies auf sehr praktische Weise erreicht: Da parallele Strahlen näher am Zentrum eines sphärischen Spiegels Randstrahlen überschießen, warum nicht einfach das Zentrum vertiefen und sie zügeln?
Erst in den 1850er Jahren ersetzte Silber das Spekulum als Spiegelfläche der Wahl. Natürlich hatten die mehr als 1000 von John Short hergestellten Parabolreflektoren alle Spekulumspiegel. Und Silber verliert wie Spekulum mit der Zeit ziemlich schnell an Reflexionsvermögen durch Oxidation. 1930 wurden die ersten professionellen Teleskope mit haltbarerem und reflektierendem Aluminium beschichtet. Trotz dieser Verbesserung bringen kleine Reflektoren weniger Licht in den Fokus als Refraktoren mit vergleichbarer Apertur.
Inzwischen haben sich auch Refraktoren entwickelt. Während der Zeit von John Short fanden Optiker heraus, was Newton nicht hatte - wie man rotes und grünes Licht durch Brechung an einem gemeinsamen Fokuspunkt verschmelzen lässt. Dies wurde erstmals 1725 von Chester Moor Hall erreicht und ein Vierteljahrhundert später von John Dolland wiederentdeckt. Hall und Dolland kombinierten zwei verschiedene Linsen - eine konvexe und eine konkave. Jedes bestand aus einem anderen Glastyp (Krone und Feuerstein), der das Licht unterschiedlich brach (basierend auf den Brechungsindizes). Die konvexe Linse aus Kronglas hatte die unmittelbare Aufgabe, Licht aller Farben zu sammeln. Diese bogen Photonen nach innen. Die negative Linse spreizte den konvergierenden Strahl leicht nach außen. Wo die positive Linse ein Überschießen des Fokus durch rotes Licht verursachte, verursachte die negative Linse ein Unterschießen des Rotes. Rot und Grün verschmolzen und das Auge sah gelb. Das Ergebnis war das achromatische Refraktorteleskop - ein Typ, der heute von vielen Amateurastronomen wegen seiner kostengünstigen Weitfeld mit kleiner Apertur, aber - bei kürzeren Brennweiten - weniger als der idealen Bildqualität bevorzugt wird.
Erst Mitte des neunzehnten Jahrhunderts gelang es den Optikern, Blau-Violett dazu zu bringen, Rot und Grün im Fokus zu verbinden. Diese Entwicklung ergab sich ursprünglich aus der Verwendung exotischer Materialien (Flourit) als Element für die Dublettobjektive von optischen Hochleistungsmikroskopen - nicht von Teleskopen. Drei-Elemente-Teleskopkonstruktionen unter Verwendung von Standardglastypen - Drillinge - lösten das Problem auch etwa vierzig Jahre später (kurz vor dem 20. Jahrhundert).
Die heutigen Amateurastronomen können aus einer Vielzahl von Zielfernrohrarten und Herstellern wählen. Es gibt keinen Raum für alle Himmels-, Augen- und Himmelsstudien. Probleme der Feldebenheit (insbesondere bei schnellen Newtonschen Teleskopen) und der starken optischen Röhren (in Verbindung mit großen Refraktoren) wurden durch neue optische Konfigurationen behoben, die in den 1930er Jahren entwickelt wurden. Instrumententypen wie das SCT (Schmidt-Cassegrain-Teleskop) und das MCT (Maksutov-Cassegrain-Teleskop) sowie die Newton-ähnlichen Schmidt- und Maksutov-Varianten und Schrägreflektoren werden heute in den USA und auf der ganzen Welt hergestellt. Jeder Scope-Typ wurde entwickelt, um ein oder mehrere berechtigte Probleme in Bezug auf Scope-Größe, Masse, Feldebenheit, Bildqualität, Kontrast, Kosten und Portabilität zu lösen.
Inzwischen stehen Refraktoren bei Optophilen im Mittelpunkt - Leute, die unabhängig von anderen Einschränkungen die höchstmögliche Bildqualität wünschen. Voll apochromatische (farbkorrigierte) Refraktoren bieten einige der beeindruckendsten Bilder, die für die optische, fotografische und CCD-Bildgebung verfügbar sind. Leider sind solche Modelle aufgrund wesentlich höherer Materialkosten (exotische Kristalle mit geringer Dispersion und Glas), Herstellung (bis zu sechs optische Oberflächen müssen geformt werden) und höherer Anforderungen an die Tragfähigkeit (aufgrund schwerer Glasscheiben) auf kleinere Öffnungen beschränkt ).
Die heutige Vielfalt der Zielfernrohrarten begann mit der Entdeckung, dass zwei Linsen mit ungleicher Krümmung vor das Auge gehalten werden können, um die menschliche Wahrnehmung über große Entfernungen zu transportieren. Wie viele große technologische Fortschritte entstand das moderne astronomische Teleskop aus drei grundlegenden Bestandteilen: Notwendigkeit, Vorstellungskraft und ein wachsendes Verständnis der Art und Weise, wie Energie und Materie interagieren.
Woher kam also das moderne astronomische Teleskop? Sicherlich hat das Teleskop eine lange Zeit der ständigen Verbesserung durchlaufen. Aber vielleicht, vielleicht ist das Teleskop im Wesentlichen ein Geschenk des Universums selbst, das durch menschliche Augen, Herzen und Gedanken tiefe Bewunderung hervorruft…
-1 Es gibt Fragen, wer zuerst eine Brille geschaffen hat, um fern- und kurzsichtige Vsionen zu korrigieren. Es ist unwahrscheinlich, dass Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham oder Roger Bacon jemals eine Linse auf diese Weise verwendet haben. Verwirrend ist die Frage der Herkunft, wie die Brille tatsächlich getragen wurde. Es ist wahrscheinlich, dass die erste visuelle Hilfe einfach als Monokel vor das Auge gehalten wurde - die Notwendigkeit, von dort zu übernehmen. Aber würde eine solche primitive Methode historisch als „Ursprung des Spektakels“ bezeichnet werden?
-2 Die Fähigkeit eines bestimmten Okulars, ein notwendigerweise gekrümmtes virtuelles Bild zu kompensieren, ist grundlegend durch das effektive Brennweitenverhältnis und die Oszilloskop-Archetektur begrenzt. Somit weisen Teleskope, deren Brennweite ein Vielfaches ihrer Apertur beträgt, in der "Bildebene" weniger eine augenblickliche Kurve auf. In der Zwischenzeit haben Zielfernrohre, die anfänglich Licht brechen (sowohl Katadioptik als auch Refraktoren), den Vorteil, dass Licht außerhalb der Achse besser gehandhabt werden kann. Beide Faktoren vergrößern den Krümmungsradius des projizierten Bildes und vereinfachen die Aufgabe des Okulars, dem Auge ein flaches Feld zu präsentieren.
Über den Autor:
Inspiriert vom Meisterwerk des frühen 20. Jahrhunderts: "Der Himmel durch Drei-, Vier- und Fünf-Zoll-Teleskope", begann Jeff Barbour im Alter von sieben Jahren mit Astronomie und Weltraumforschung. Derzeit verbringt Jeff viel Zeit damit, den Himmel zu beobachten und die Website Astro.Geekjoy zu pflegen.
