اللهم صل علی محمد و آل محمد و عجل فرجهم

تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند

تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: تلسکوپ ابزاری است که با کمک آن می‌توانیم اجرام دور آسمانی مثل سیاره‌ها، ستاره‌ها یا سحابی‌ها یا کهکشان‌ها را مشاهده کنیم. برای این منظور، تلسکوپ‌ باید امواج الکترومغناطیسی (مثلا نور مرئی) را یک‌جا جمع و متمرکز کند تا بتوان شیء موردنظر را با دقت هرچه‌ بیشتری رصد کرد. اولین تلسکوپ عملیاتی جهان در ابتدای سده ۱۷ میلادی در هلند ساخته شد. این تلسکوپ، عدسی شیشه‌ای داشت. چند دهه بعد، تلسکوپ‌های انعکاسی اختراع شدند که به‌جای عدسی، آینه داشتند. در سده ۲۰ میلادی چندین گونه‌ تلسکوپ جدید اختراع شد. در دهه ۱۹۳۰ نیز رادیوتلسکوپ‌ها اختراع شدند و سپس در دهه ۱۹۶۰ تلسکوپ‌های فروسرخ سربرآوردند. تلسکوپ‌ها فقط برای جذب نور مرئی به‌کار نمی‌روند.

مثلا بعضی از آن‌ها امواج فروسرخ و برخی دیگر حتی امواج رادیویی را جذب می‌کنند و ما با تحلیل آن امواج می‌توانیم به وجود اجرام مختلف در مناطق گوناگون کیهان پی ببریم. برای نمونه، برخی از ستاره‌ها به‌جای نور مرئی، امواج فروسرخ منتشر می‌کنند که با تلسکوپ‌های عادی نمی‌توان چنین ستاره‌هایی را رصد کرد، زیرا چشم ما نور فروسرخ را نمی‌بیند. برای رصد این‌نوع ستاره‌ها باید تلسکوپ فروسرخ داشته باشیم؛ یعنی تلسکوپی که بتواند امواج فروسرخ را جذب و یک‌جا متمرکز کند. پس منظور از تلسکوپ انواع مختلفی از ابزارها است که هر کدام بسته به قابلیت‌هایش طول‌موج‌های خاصی از طیف الکترومغناطیسی را شناسایی می‌کند. این مطلب در ادامه با جزییات بیشتری توضیح میدهد که تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند. همچنین به انواع تلسکوپ و ساختار و نحوه کار تلسکوپ‌ها اشاره خواهدشد.

 

تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند

مهم‌ترین بخش تلسکوپ، عدسی یا آینه منحنی و صیقلی آن است که نور دریافتی از شیء موردنظر را در یک نقطه متمرکز می‌کند. بعضی از تلسکوپ‌ها برای متمرکز کردن نور از عدسی و برخی دیگر از آینه بهره می‌برند. اما هر دو آن‌ها هدف یکسانی دارند. آن‌ها نور دریافتی از شیء را در نقطه‌ای موسوم به نقطه کانونی متمرکز می‌کنند تا ما بتوانیم آن‌ شیء را بزرگ‌تر ببینیم و جزییات آن‌را تشخیص دهیم. علم گردآوری نور با کمک آینه یا عدسی را علم نورشناسی (optics) می‌نامند. هرچه آینه یا عدسی بزرگ‌تر باشد، نور بیشتری جمع‌آوری می‌کند و درنتیجه تصویر بزرگ‌تر و واضح‌تری تشکیل می‌دهد. ظاهرا اولین تلسکوپ را شخصی موسوم به هانس لیپرشی در سال ۱۶۰۸ طراحی کرد. از آن زمان تاکنون تلسکوپ‌ها بزرگتر و باکیفیت‌تر شده‌اند.


انواع تلسکوپ

تلسکوپ‌ها براساس ویژگی‌های مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. مثلا تلسکوپ‌ها را بر اساس محل جای‌گیری‌شان می‌توان به دو نوع زمینی و فضایی تقسیم کرد. خود تلسکوپ‌های زمینی و فضایی نیز از نظر ساختار داخلی انواع مختلفی دارند. مثلا تلسکوپ‌های زمینی قدیمی ابتدا شکستی یا اصطلاحا انکساری بودند، اما تلسکوپ‌های پیشرفته امروزی اعم از زمینی و فضایی عمدتا بازتابی (انعکاسی) هستند. ضمنا تلسکوپ‌ها براساس نوع نوری که جذب می‌کنند نیز به گونه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. برای مثال، تلسکوپ فضایی جیمز وب نوعی تلسکوپ‌ فروسرخ است، یعنی فقط طول‌موج‌های فروسرخِ طیف الکترومغناطیسی را جذب می‌کند. تلسکوپ‌های رادیویی یا اصطلاحا رادیوتلسکوپ‌ها نوع خاص دیگری از تلسکوپ‌ هستند که بعضی از اجرام آسمانی مثل تپ‌اخترها را از روی امواج رادیویی‌شان شناسایی می‌کنند. در این مطلب تنها به برخی از انواع تلسکوپ‌ و ویژگی‌های‌شان اشاره می‌کنیم.

 

تلسکوپ شکستی (انکساری) چیست و چگونه کار می‌کند

شواهد تاریخی نشان می‌دهند که مسلمانان در سال ۶۰۰ پس از میلاد حضرت مسیح علیه‌السلام از عدسی استفاده می‌کرده‌اند. اما دقیقا مشخص نیست که تلسکوپ‌های شکستی (عدسی‌دار) را نخستین بار چه زمانی ساختند. در دوران جدید، لئونارد دیجس (Leonrd Digges) ریاضی‌دان، نخستین کسی بود که در یکی از سال‌های ۱۵۴۰ تا ۱۵۵۳ نوعی تلسکوپ شکستی ساخت تا برای نقشه‌برداری از زمین از آن بهره ببرد. ضمنا دیجس یا شاید پسر اخترشناس او توماس دیجس، نخستین بار تلسکوپ شکستی را به‌سوی آسمان گرفتند تا اجرام سماوی را با آن ببینند. اما تلسکوپ آن‌ها چندان شهرتی نیافت تا این‌که در سال ۱۶۰۸ نورشناسی موسوم به هانس لیپرشی (Hans Lippershey یا Lipperhey) ساخت و فروش تلسکوپ را آغاز کرد. ریاضی‌دان دیگری با نام توماس هاریوت (Thoams Harriot) اولین کسی بود که در سال ۱۶۰۹ و چند ماه پیش از گالیله، جزییات ماه را با استفاده از یک تلسکوپ نجومی مطالعه کرد.

اولین تلسکوپ‌های شکستی دو عدسی یا لنز داشتند که با فاصله کمی از هم درون لوله‌ای سربسته‌ جای می‌گرفتند. عدسی بزرگتر را عدسی اولیه می‌گویند و عدسی دوم یا کوچکتر، چشمی نام دارد. این‌دو عدسی پرتوهای نور را در یک نقطه موسوم به نقطه کانونی (focal point) متمرکز می‌کنند تا تصویر واضح و بزرگ‌تری از شیء موردنظر تشکیل دهند.

عدسی چون از جنس شیشه و شفاف است، نور را از خود عبور می‌دهد و سپس متمرکز می‌کند. چگالی شیشه از چگالی هوا بیشتر است، لذا وقتی نور از شیشه عبور می‌کند، از مسیر اولیه خود منحرف و در جهات مختلف تجزیه می‌شود یا اصطلاحا می‌شکند. این پدیده را شکست نور (refraction) می‌نامند. شکل عدسی‌ باید طوری باشد که بتواند تمام پرتوهای نور را در یک نقطه واحد متمرکز یا اصطلاحا همگرا کند.

تلسکوپ شکستی یا انکساری چیست

تصویر ۱. تلسکوپ شکستی یا انکساری

مطلب مرتبط: تپ‌اختر چیست و چه ویژگی‌هایی دارد – ستاره تپنده (Pulsar)

مشکل کج‌نمایی یا اعوجاج

امروزه می‌دانیم که یک عدسی به‌تنهایی نمی‌تواند تمام پرتوهای واصله از یک شیء را در یک نقطه متمرکز کند و به‌همین علت مشکلی در تصویر ایجاد می‌شود که به‌آن اعوجاج یا کج‌نمایی (aberration) می‌گویند. اعوجاج یا کج‌نمایی انواع مختلفی دارد که دو نوع اصلی آن عبارتند از:

  • کج‌نمایی رنگی (chromatic aberration)
  • کج‌نمایی کروی (spherical aberration)

اعوجاج یا کج‌نمایی از هر نوع که باشد شکل اجسام را غیرواقعی نشان می‌دهد. کج‌نمایی رنگی زمانی اتفاق می‌افتد که رنگ‌های مختلف پرتوهای نور ضمن عبور از عدسی، همگی به یک میزان خم نشوند و همگی در یک نقطه واحد متمرکز نشوند. کج‌نمایی رنگی در اطراف تصویر حاشیه‌های رنگی ایجاد می‌کند.

اما کج‌نمایی کروی در اثر شکل عدسی رخ می‌دهد. عدسی، قطعه شیشه‌ای است که هر دو سویش به‌شکل گنبد یا نیم‌کره تراش خورده است. نیم‌کره برای متمرکز کردن نور در یک نقطه واحد شکل ایده‌آلی نیست اما چون تراشیدن و صیقل دادن شیشه به‌شکل گنبد آسان‌تر است به‌ناچار عدسی را بدین شکل می‌سازند. کج‌نمایی کروی تصاویر را تار نشان می‌دهد.

تلسکوپ‌های شکستی امروزی چندین عدسی (لنز) دارند. این عدسی‌ها طوری طراحی شده‌ و کنار هم چیده می‌‌شوند که کج‌نمایی را تا جای ممکن کاهش دهند.

 

انواع تلسکوپ: تلسکوپ‌ بازتابی چیست و چگونه کار می‌کند

گفتیم که تلسکوپ‌های شکستی (انکساری) برای بزرگنمایی تصویر از عدسی بهره می‌بردند. اما نوع دیگری از تلسکوپ‌ها موسوم به تلسکوپ‌های بازتابی یا انعکاسی (reflective telescop) برای بزرگنمایی تصویر از آینه استفاده می‌کنند. آینه نسبت به عدسی شیشه‌ای چند مزیت دارد:

  • ساخت آینه آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر است
  • آینه در مقایسه با عدسی کج‌نمایی کمتری دارد
  • آینه اصلی را می‌توان از زیر تلسکوپ نیز محکم کرد.

امروزه تلسکوپ‌های بازتابی از توانمندترین ابزارهای رصد آسمان به شمار می‌روند.

اولین تلسکوپ بازتابی را لئونارد دیجس ریاضی‌دان در یکی از سال‌های ۱۵۴۰ تا ۱۵۵۳ ساخت. در سال ۱۵۷۶ پسر او توماس که ستاره‌شناس بود، کوشید با کمک تلسکوپ مذکور، دیدگاه خویش مبنی بر بی‌نهایت بودن کیهان را ثابت کند. پس از آن‌ها حدود ۱۰۰ سال طول کشید تا تلسکوپ‌های بازتابی رایج شوند. در سال ۱۶۶۳ جیمز گریگوری ریاضی‌دادن و اخترشناس کتابی با نام Optima Promota منتشر کرد و در آن طرح تلسکوپ بازتابی کوچک و جدیدی را ارائه داد. روبرت هوک (Robert Hooke) فیزیکدان چند سال بعد از انتشار آن کتاب و کمی پیش از آن‌که نیوتن نیز اولین تلسکوپ خود را در سال ۱۶۶۸ بسازد، اولین نمونه از چنین تلسکوپی را ساخت.

 

تلسکوپ بازتابی نیوتنی و کاسگرین

اصول کار تلسکوپ نیوتن بسیار ساده بود و هنوز هم در تلسکوپ‌های امروزی از همان اصول استفاده می‌شود. تلسکوپ بازتابی نیوتنی دو آینه دارد: آینه بزرگ اولیه و آینه کوچک ثانویه.

آینه اولیه و بزرگ که به‌شکل سهمی یعنی شبیه بشقاب است، نوری را که از شیء موردنظر به تلسکوپ می‌رسد جمع می‌کند. آینه ثانویه که مسطح و کوچکتر است، نسبت به روزنه چشمی تلسکوپ، شیب دارد تا بتواند نور را به چشم رصدگر منعکس کند. چشمی تلسکوپ‌های نیوتنی، زیر آن‌ها است.

تلسکوپ بازتابی نیوتنی

تصویر ۲. تلسکوپ بازتابی نیوتنی

مطلب مرتبط: ماهواره مخابراتی چیست و ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟

در سال ۱۶۷۲ کشیش و آموزگاری موسوم به لورانت کاسگرین (Laurent Cassegrain) تلسکوپ بازتابی جدیدی اختراع کرد و طرز کار آن‌را در دست‌نوشته‌هایش توضیح داد. تلسکوپ کاسگرین یک آینه اصلی یا اولیه بشقابی یا اصطلاحا سهمی‌شکل دارد که نور شیء موردنظر را جذب و جمع‌آوری می‌کند. آینه ثانویه و کوچکتر که درست روبه‌روی آینه اصلی است، نور جمع‌آوری شده توسط آینه اصلی را به‌سمت روزنه چشمی که درست در مرکز آینه اصلی تعبیه شده است، منعکس می‌کند. یعنی چشمی تلسکوپ‌های کاسگرین، پشت آن‌ها است. تلسکوپ کاسگرین مزیت مهمی دارد: طراحی آن جمع‌وجور است و لذا به‌راحتی جابه‌جا می‌شود و ضمنا می‌توان تجهیزات سنگنین‌تری را به پایه آن متصل کرد. امروزه تلسکوپ کاسگرین پرکاربردترین نوع تلسکوپ است.

تلسکوپ بازتابی کاسگرین

تصویر ۳. تلسکوپ بازتابی کاسگرین

مطلب مرتبط: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

سایر انواع تلسکوپ: زمینی و فضایی

یکی از مهم‌ترین شاخص‌های دسته‌بندی تلسکوپ‌ها محل استقرار آن‌هاست. براین اساس تلسکوپ‌ها را می‌توان به دو دسته کلی زمینی و فضایی تقسیم کرد که هر یک از آن‌ها نیز انواع مختلفی دارند.

  • تلسکوپ زمینی
  • تلسکوپ فضایی

در ادامه، این دو نوع تلسکوپ کمی بیشتر توضیح داده می‌شوند.

تلسکوپ زمینی

بیشتر تلسکوپ‌های فعلی زمینی هستند، یعنی روی زمین جای می‌گیرند و اخترشناسان با استفاده از آنها اجرام آسمانی را از روی زمین رصد می‌کنند. تلسکوپ‌های زمینی در مقایسه با تلسکوپ‌های فضایی ارزان‌ترند و ساخت و تعمیرشان نیز آسان‌تر است اما معایبی هم دارند. مهم‌ترین ضعف تلسکوپ‌های زمینی این است که اجرام آسمانی را از ورای جو زمین رصد می‌کنند. هواکره یا جو زمین همیشه شرایط مساعدی ندارد. مثلا وقتی هوا ابری است، با تلسکوپ‌های عادی زمینی نمی‌توان چیزی را رصد کرد. در روشنایی روز نیز دیدن ستاره‌ها با تلسکوپ‌های عادی غیرممکن است.

ضمنا برخی از اجرام آسمانی به جای نور مرئی، امواج دیگری مثل پرتو گاما، پرتو ایکس، نور فروسرخ یا امواج رادیویی منتشر می‌کنند. اما هوایی که زمین را احاطه کرده است، راه این پرتوها را سد می‌کند و اجازه نمی‌دهد تا آن‌ها به زمین برسند. یعنی حتی اگر تلسکوپ زمینی خوبی داشته باشید و شرایط جوی هم مساعد باشد، باز برخی از اجرام خاص را نمی‌توانید ببینید. به همین علت، آن بخش از نورهای طیف الکترومغناطیسی را که می‌توانند از جو زمین عبور کنند، پنجره‌های جوی (atmospheric windows) می‌نامیم. آن‌ها بخش‌هایی از طیف الکترومغناطیسی هستند که میزان مسدود شدن‌شان تقریبا ۰ درصد است، یعنی تقریبا تمام‌شان از جو زمین عبور می‌کند و در زمین قابل دریافت هستند.

 

تلسکوپ فضایی

بعضی از ضعف‌های تلسکوپ‌های زمینی سبب شد تلسکوپ‌های فضایی طراحی و ساخته شوند. تلسکوپ‌های فضایی چون بیرون از جو زمین کار می‌کنند، دیگر با موانع جوی روبه‌رو نیستند. هوای موجود در جو زمین بخشی از نور را تجزیه و بخشی از آن‌را منعکس می‌کند و نهایتا تنها بخشی از نور به زمین می‌رسد. پس ما تمام پرتوهایی را که از یک جرم آسمانی منتشر می‌شود، دریافت نمی‌کنیم. به همین علت، تصاویر تلسکوپ‌های زمینی وضوح و دقت کمتری دارند و گاهی تار هستند.

ضمنا نورهای مصنوعی زمین نیز گاهی مزاحمت ایجاد می‌کنند. به همین علت، رصدخانه‌های بزرگ زمینی را جایی می‌سازند که حتی‌الامکان از منابع نور مصنوعی یا اصطلاحا از آلودگی‌های نوری دور باشند.

طراحی و ساخت تلسکوپ‌های فضایی فرآیند پیچیده‌ و پرهزینه‌ای دارد. بشر از دهه ۱۹۸۰ میلادی بدین‌سو به دانش و فناوری لازم برای ساخت تلسکوپ‌های فضایی دست یافته است. دو نمونه از پیشرفته‌ترین تلسکوپ‌های فضایی فعلی هابل نام دارد که کار خود را از سال ۱۹۹۰ میلادی آغاز و تاکنون بیش از یک میلیون تصویر به زمین مخابره کرده است.

از آن زمان به بعد تلسکوپ‌های فضایی دیگری نیز ساخته شدند. برخی از آن‌ها مثل تلسکوپ چاندرا، نه با نور مرئی بلکه با پرتوهایی مثل پرتو ایکس تصویر می‌گیرند که دریافت‌شان در زمین تقریبا غیرممکن است. تلسکوپ فرمی (Fermi) نیز با پرتو گاما تصویر می‌گیرد. تلسکوپ‌های دیگری نیز ساخته و به فضا پرتاب شدند که با ریزموج (مایکروویو) یا پرتو فروسرخ عکس می‌گیرند. این پرتوها با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند و لذا تصویربرداری با آن‌ها سبب شد تا چشم‌اندازهای نوینی از عالم به روی انسان گشوده شود. بزرگترین و تازه‌ترین تلسکوپ‌ فضایی جهان در حال حاضر، تلسکوپ فضایی جیمز وب است (James Webb Space telescope) که اوایل سال ۲۰۲۲ میلادی به فضا پرتاب شد.

نام برخی دیگر از تلسکوپ‌‌های فضایی

  • تلسکوپ کپلر (Kepler): هزاران سیاره فراخورشیدی کشف کرد
  • تلسکوپ اسپیتزر (Spitzer): اولین تصویر از یک سیاره فراخورشیدی را به زمین ارسال کرد

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

تاریخچه تلسکوپ: ابزارهای اولیه رصد کیهان

در قدیم ابزارهای نجومی مختلفی برای رصد آسمان ساخته شده بود که دو نوع از آن‌ها اهمیت خاصی دارند: یکی ترانزیت و دیگری سدس. ترانزیت وسیله‌ای بود که برای اندازه‌گیری دقیق لحظه‌ گذر یک جرم آسمانی از حضیض خود به‌کار می‌رفت. این وسیله از زمان مصر باستان تا امروز نیز کاربرد داشته است. تلسکوپ‌هایی که فقط تحرک عمودی دارند، بازماندگان ترانزیت هستند. ترانزیت در یک‌‌سوی خود، دسته چرخانی دارد که برای تنظیم موقعیت جرم آسمانی در کره سماوی به‌کار می‌رود. لذا با کمک این ابزار می‌توان نقشه آسمان را جزء به جزء تهیه و آن‌ها را به هم متصل کرد و براساس آن جداولی ساخت و موقعیت ستاره‌ها، سیاره‌ها، ماه و دیگر اجرام آسمانی در آن درج کرد. در قدیم نقشه فلکی را با همین شیوه را تهیه می‌کردند و برای ناوبری و تعیین دقیق زمان از آن بهره می‌بردند.

ترانزیت

تصویر ۴. ابزارهای قدیمی رصد: ترانزیت

سدس ابزار دیگری بود که زاویه بین یک شیء فلکی با افق را تعیین می‌کرد. با استفاده هم‌زمان از سدس و جدول ترانزیت می‌شد ارتفاع هر یک از اجرام سماوی را به‌راحتی محاسبه کرد.

بعد از سدس ابزارهای دیگری مثل اسطرلاب و زاویه‌سنج (octant) هم ساختند که هر دو آن‌ها برپایه همان اصول پیشین کار می‌کردند. در دهه ۱۷۳۰ جان هادلی و توماس گادفری مستقل از هم گونه جدیدتری از سدس را اختراع کردند.

ابزارهای قدیمی رصد: سدس

تصویر ۵. ابزارهای قدیمی رصد: سدس

مطلب مرتبط: سیاه‌چاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟

جمع‌بندی: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند

تلسکوپ وسیله‌ای است که برای مشاهده اجسام دور به‌ویژه اجرام دور آسمانی به‌کار می‌رود. بسیاری از تلسکوپ‌ها روی زمین نصب و کار می‌کنند اما تاکنون چندین تلسکوپ فضایی نیز به فضا پرتاب شده‌اند و اکنون مشغول کارند. نخستین تلسکوپ‌های دوران جدید شکستی (انکساری) بودند که برای جمع‌آوری نور و تشکیل تصویر از عدسی بهره می‌بردند. اما بعدها تلسکوپ‌های بازتابی (انعکاسی) ساخته شدند. تلسکوپ‌های بازتابی به‌جای عدسی از آینه بهره می‌برند. تلسکوپ‌ها از نظر نوع نوری که جذب و رصد می‌کنند نیز انواع مختلفی دارند. مثلا بعضی از آن‌ها اجسامی را رصد می‌کنند که از خود پرتو گاما منتشر می‌کنند. بعضی از تلسکوپ‌های دیگر برای رصد کردن پرتوهای فروسرخ یا فرابنفش طراحی شده‌اند و برخی دیگر امواج رادیویی را جذب می‌کنند.


عنوان مطلب: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند

موضوع: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند، انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها