6.1: التلسكوبات
- Page ID
- 197181
أهداف التعلم
- وصف المكونات الأساسية الثلاثة لنظام حديث لقياس المصادر الفلكية
- وصف الوظائف الرئيسية للتلسكوب
- وصف النوعين الأساسيين من تلسكوبات الضوء المرئي وكيفية تكوين الصور
أنظمة قياس الإشعاع
هناك ثلاثة مكونات أساسية لنظام حديث لقياس الإشعاع من المصادر الفلكية. أولاً، هناك تلسكوب يعمل بمثابة «دلو» لجمع الضوء المرئي (أو الإشعاع بأطوال موجية أخرى، كما هو موضح في (الشكل\(\PageIndex{1}\)). مثلما يمكنك التقاط المزيد من المطر باستخدام سلة المهملات مقارنة بفنجان القهوة، فإن التلسكوبات الكبيرة تجمع ضوءًا أكثر بكثير مما تستطيع عينك. ثانيًا، هناك أداة متصلة بالتلسكوب تقوم بفرز الإشعاع الوارد حسب الطول الموجي. في بعض الأحيان يكون الفرز بسيطًا إلى حد ما. على سبيل المثال، قد نرغب ببساطة في فصل الضوء الأزرق عن الضوء الأحمر حتى نتمكن من تحديد درجة حرارة النجم. ولكن في أوقات أخرى، نريد أن نرى خطوطًا طيفية فردية لتحديد ماهية الجسم، أو لقياس سرعته (كما هو موضح في فصل الإشعاع والطياف). ثالثًا، نحتاج إلى نوع من الكاشف، وهو جهاز يستشعر الإشعاع في مناطق الطول الموجي التي اخترناها ويسجل الملاحظات بشكل دائم.
يدور تاريخ تطور التلسكوبات الفلكية حول كيفية تطبيق التقنيات الجديدة لتحسين كفاءة هذه المكونات الأساسية الثلاثة: التلسكوبات وجهاز فرز الطول الموجي وأجهزة الكشف. دعونا ننظر أولاً إلى تطوير التلسكوب.
قامت العديد من الثقافات القديمة ببناء مواقع خاصة لمراقبة السماء (الشكل\(\PageIndex{2}\)). في هذه المراصد القديمة، كان بإمكانهم قياس مواقع الأجسام السماوية، في الغالب لتتبع الوقت والتاريخ. كان للعديد من هذه المراصد القديمة وظائف دينية وطقوسية أيضًا. كانت العين هي الجهاز الوحيد المتاح لجمع الضوء، وتمت ملاحظة جميع الألوان في الضوء مرة واحدة، والسجل الدائم الوحيد للملاحظات كان من قبل البشر الذين يكتبون أو يرسمون ما رأوه.
في حين يُنسب الفضل إلى كل من هانز ليبيرشي وزاكرياس يانسن وجاكوب ميتيوس في اختراع التلسكوب حوالي عام 1608 - التقدم بطلب للحصول على براءات اختراع في غضون أسابيع من بعضهم البعض - كان غاليليو هو الذي استخدم في عام 1610 هذا الأنبوب البسيط مع العدسات (التي سماها نظارة التجسس) لمراقبة السماء وجمع المزيد من الضوء مقارنة بنظارته. يمكن للعيون وحدها. حتى تلسكوبه الصغير - المستخدم في العديد من الليالي - أحدث ثورة في الأفكار حول طبيعة الكواكب وموقع الأرض.
كيف تعمل التلسكوبات
لقد قطعت التلسكوبات شوطًا طويلاً منذ زمن غاليليو. الآن تميل إلى أن تكون أجهزة ضخمة؛ أغلى تكلفة تكلف مئات الملايين إلى المليارات من الدولارات. (ولكن لتوفير بعض النقاط المرجعية، ضع في اعتبارك أن مجرد تجديد ملاعب كرة القدم الجامعية يكلف عادةً مئات الملايين من الدولارات - مع أغلى تجديد حديث، في كايل فيلد بجامعة تكساس إيه آند إم، بتكلفة 450 مليون دولار.) السبب وراء استمرار علماء الفلك في بناء التلسكوبات الأكبر حجمًا هو أن الأجسام السماوية - مثل الكواكب والنجوم والمجرات - ترسل ضوءًا إلى الأرض أكثر بكثير مما تستطيع أي عين بشرية (بفتحتها الصغيرة) أن تلتقطه، ويمكن للتلسكوبات الأكبر حجمًا اكتشاف الأجسام الخافتة. إذا سبق لك أن شاهدت النجوم مع مجموعة من الأصدقاء، فأنت تعلم أن هناك الكثير من النجوم التي يمكنك التجول فيها؛ يمكن لكل واحد منكم رؤية كل نجم من النجوم. إذا كان هناك ألف شخص آخر يشاهدون، فسيلتقط كل منهم أيضًا القليل من ضوء كل نجم. ومع ذلك، بقدر ما يتعلق الأمر بك، فإن الضوء الذي لا يلمع في عينك يضيع. سيكون من الرائع أن يتم أيضًا التقاط بعض هذا الضوء «الضائع» وعرضه على عينيك. هذا هو بالضبط ما يفعله التلسكوب.
أهم وظائف التلسكوب هي (1) جمع الضوء الخافت من مصدر فلكي و (2) تركيز كل الضوء في نقطة أو صورة. معظم الأشياء التي تهم علماء الفلك خافتة للغاية: فكلما زاد الضوء الذي يمكننا جمعه، كان بإمكاننا دراسة مثل هذه الأشياء بشكل أفضل. (وتذكر أنه على الرغم من أننا نركز على الضوء المرئي أولاً، إلا أن هناك العديد من التلسكوبات التي تجمع أنواعًا أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.)
تستخدم التلسكوبات التي تجمع الإشعاع المرئي عدسة أو مرآة لجمع الضوء. قد تستخدم أنواع أخرى من التلسكوبات أجهزة تجميع تبدو مختلفة تمامًا عن العدسات والمرايا المألوفة لدينا، ولكنها تؤدي نفس الوظيفة. في جميع أنواع التلسكوبات، يتم تحديد قدرة جمع الضوء من خلال مساحة الجهاز التي تعمل كـ «دلو» لجمع الضوء. نظرًا لأن معظم التلسكوبات تحتوي على مرايا أو عدسات، يمكننا مقارنة قدرتها على جمع الضوء من خلال مقارنة فتحات أو أقطار الفتحة التي ينتقل الضوء من خلالها أو ينعكس.
تزداد كمية الضوء التي يمكن أن يجمعها التلسكوب مع حجم الفتحة. يمكن للتلسكوب ذي المرآة التي يبلغ قطرها 4 أمتار أن يجمع 16 ضعف كمية الضوء التي يحصل عليها التلسكوب الذي يبلغ قطره مترًا واحدًا. (القطر مربع لأن مساحة الدائرة تساوي\(\pi d^2/4\)، أين\(d\) قطر الدائرة.)
مثال\(\PageIndex{1}\): حساب منطقة تجميع الضوء
ما مساحة التلسكوب الذي قطره ١ متر؟ قطر 4 أمتار؟
الحل
باستخدام معادلة مساحة الدائرة،
\[A= \frac{\pi d^2}{4} \nonumber\]
مساحة التلسكوب الذي يبلغ طوله 1 متر هي
\[\frac{\pi d^2}{4}= \frac{\pi (1 \text{ m})^2}{4}=0.79 ~ \text{m}^2 \nonumber\]
ومساحة التلسكوب الذي يبلغ طوله 4 أمتار هي
\[\frac{\pi d^2}{4} = \frac{ \pi (4 \text{ m})^2}{4}=12.6 \text{ m}^2 \nonumber\]
التمارين\(\PageIndex{1}\)
أظهر أن نسبة المنطقتين هي 16:1.
- إجابة
-
\[\frac{12.6 \text{ m}^2}{0.79 \text{ m}^2}=16. \nonumber\]
لذلك، تبلغ مساحته 16 ضعفًا، ويجمع تلسكوب طوله 4 أمتار 16 ضعف ضوء التلسكوب الذي يبلغ طوله 1 متر.
بعد أن يشكل التلسكوب صورة، نحتاج إلى طريقة ما لاكتشافها وتسجيلها حتى نتمكن من قياس الصورة وإعادة إنتاجها وتحليلها بطرق مختلفة. قبل القرن التاسع عشر، شاهد علماء الفلك ببساطة الصور بأعينهم وكتبوا أوصافًا لما رأوه. كان هذا غير فعال للغاية ولم يؤد إلى سجل موثوق للغاية على المدى الطويل؛ كما تعلم من برامج الجريمة على التلفزيون أن روايات شهود العيان غالبًا ما تكون غير دقيقة.
في القرن التاسع عشر، أصبح استخدام التصوير الفوتوغرافي واسع الانتشار. في تلك الأيام، كانت الصور عبارة عن سجل كيميائي لصورة على لوح زجاجي معالج خصيصًا. اليوم، يتم اكتشاف الصورة بشكل عام باستخدام أجهزة استشعار مماثلة لتلك الموجودة في الكاميرات الرقمية، ويتم تسجيلها إلكترونيًا وتخزينها في أجهزة الكمبيوتر. يمكن بعد ذلك استخدام هذا السجل الدائم للدراسات التفصيلية والكمية. نادرًا ما يبحث علماء الفلك المحترفون في التلسكوبات الكبيرة التي يستخدمونها في أبحاثهم.
تكوين صورة بواسطة عدسة أو مرآة
سواء كنت ترتدي نظارات أم لا، فإنك ترى العالم من خلال العدسات؛ فهي عناصر أساسية في عينيك. العدسة عبارة عن مادة شفافة تعمل على ثني أشعة الضوء التي تمر عبرها. إذا كانت أشعة الضوء متوازية عند دخولها، فإن العدسة تجمعها معًا في مكان واحد لتكوين صورة (الشكل\(\PageIndex{3}\)). إذا كانت انحناءات أسطح العدسة صحيحة تمامًا، فإن جميع أشعة الضوء المتوازية (على سبيل المثال، من نجمة) تنحني أو تنكسر بطريقة تتقارب نحو نقطة تسمى تركيز العدسة. عند التركيز، تظهر صورة لمصدر الضوء. في حالة أشعة الضوء المتوازية، تُسمى المسافة من العدسة إلى الموقع الذي تركز فيه أشعة الضوء، أو الصورة، خلف العدسة بالبعد البؤري للعدسة.
عندما تنظر إلى الشكل\(\PageIndex{3}\)، قد تسأل لماذا يكون شعاعان من الضوء من نفس النجم متوازيين لبعضهما البعض. بعد كل شيء، إذا رسمت صورة لنجمة مشرقة في جميع الاتجاهات، فإن أشعة الضوء القادمة من النجم لا تبدو متوازية على الإطلاق. لكن تذكر أن النجوم (والأشياء الفلكية الأخرى) كلها بعيدة جدًا. في الوقت الذي تصل فيه أشعة الضوء القليلة الموجهة نحونا فعليًا إلى الأرض، تكون، لجميع الأغراض العملية، موازية لبعضها البعض. بعبارة أخرى، أي أشعة لم تكن موازية لتلك الموجهة إلى الأرض تتجه الآن في اتجاه مختلف تمامًا في الكون.
لعرض الصورة التي شكلتها العدسة في التلسكوب، نستخدم عدسة إضافية تسمى العدسة. تقوم العدسة بتركيز الصورة على مسافة يمكن رؤيتها مباشرة من قبل الإنسان أو في مكان مناسب للكاشف. باستخدام عدسات مختلفة، يمكننا تغيير تكبير (أو حجم) الصورة وأيضًا إعادة توجيه الضوء إلى موقع يسهل الوصول إليه. تبدو النجوم كنقاط ضوئية، وتكبيرها لا يحدث فرقًا كبيرًا، لكن صورة الكوكب أو المجرة، ذات البنية، يمكن أن تستفيد غالبًا من تكبيرها.
كثير من الناس، عند التفكير في التلسكوب، يتصورون أنبوبًا طويلًا بعدسة زجاجية كبيرة في أحد طرفيه. يُعرف هذا التصميم، الذي يستخدم العدسة كعنصر بصري رئيسي لتكوين صورة، كما ناقشنا، باسم عامل الانكسار (الشكل\(\PageIndex{4}\))، ويسمى التلسكوب المستند إلى هذا التصميم التلسكوب الانكساري. كانت تلسكوبات غاليليو بمثابة عوامل انكسار، وكذلك مناظير العصر والنظارات الميدانية. ومع ذلك، هناك حد لحجم التلسكوب المنكسر. كان أكبر مصنع تم بناؤه على الإطلاق هو كاسر مقاس 49 بوصة تم بناؤه لمعرض باريس 1900، وتم تفكيكه بعد المعرض. وحاليًا، أكبر تلسكوب انكساري هو جهاز الانكسار مقاس 40 بوصة في مرصد يركس في ولاية ويسكونسن.
تتمثل إحدى مشكلات التلسكوب المنكسر في أن الضوء يجب أن يمر عبر عدسة عامل الانكسار. وهذا يعني أن الزجاج يجب أن يكون مثاليًا طوال الوقت، وقد ثبت أنه من الصعب جدًا صنع قطع كبيرة من الزجاج بدون عيوب وفقاعات فيها. أيضًا، تتغير الخصائص البصرية للمواد الشفافة قليلاً مع الأطوال الموجية (أو الألوان) للضوء، لذلك هناك بعض التشويه الإضافي، المعروف باسم الانحراف اللوني. يركز كل طول موجي على بقعة مختلفة قليلاً، مما يتسبب في ظهور الصورة ضبابية.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الضوء يجب أن يمر عبر العدسة، فلا يمكن دعم العدسة إلا حول حوافها (تمامًا مثل إطارات النظارات الخاصة بنا). ستؤدي قوة الجاذبية إلى ترهل العدسة الكبيرة وتشويه مسار أشعة الضوء أثناء مرورها عبرها. أخيرًا، نظرًا لأن الضوء يمر عبره، يجب تصنيع كلا جانبي العدسة بالشكل الصحيح بدقة من أجل إنتاج صورة واضحة.
يستخدم نوع مختلف من التلسكوب مرآة أولية مقعرة كعنصر بصري رئيسي. المرآة منحنية مثل السطح الداخلي للكرة، وتعكس الضوء من أجل تكوين صورة (الشكل\(\PageIndex{4}\)). يتم طلاء مرايا التلسكوب بمعدن لامع، عادة ما يكون من الفضة أو الألومنيوم أو أحيانًا بالذهب، لجعلها عاكسة للغاية. إذا كانت المرآة ذات الشكل الصحيح، تنعكس جميع الأشعة المتوازية مرة أخرى إلى نفس النقطة، وهي محور المرآة. وبالتالي، يتم إنتاج الصور بواسطة مرآة تمامًا كما هي بواسطة عدسة.
تعمل التلسكوبات المصممة بالمرايا على تجنب مشاكل انكسار التلسكوبات. نظرًا لأن الضوء ينعكس من السطح الأمامي فقط، فإن العيوب والفقاعات داخل الزجاج لا تؤثر على مسار الضوء. في التلسكوب المصمم بالمرايا، يجب تصنيع السطح الأمامي فقط بشكل دقيق، ويمكن دعم المرآة من الخلف. لهذه الأسباب، تستخدم معظم التلسكوبات الفلكية اليوم (سواء المخصصة للهواة أو المحترفين) مرآة بدلاً من عدسة لتكوين صورة؛ ويسمى هذا النوع من التلسكوب بالتلسكوب العاكس. تم بناء أول تلسكوب عاكس ناجح من قبل إسحاق نيوتن في عام 1668.
في التلسكوب العاكس، يتم وضع المرآة المقعرة في أسفل الأنبوب أو الإطار المفتوح. تعكس المرآة الضوء احتياطيًا للأنبوب لتشكيل صورة بالقرب من الواجهة الأمامية في موقع يسمى التركيز الرئيسي. يمكن ملاحظة الصورة عند التركيز الرئيسي، أو يمكن للمرايا الإضافية اعتراض الضوء وإعادة توجيهه إلى موضع يمكن للمراقب مشاهدته بسهولة أكبر (الشكل\(\PageIndex{5}\)). نظرًا لأن عالم الفلك في مركز التركيز الرئيسي يمكنه منع الكثير من الضوء القادم إلى المرآة الرئيسية، فإن استخدام مرآة ثانوية صغيرة يسمح بدخول المزيد من الضوء عبر النظام.
اختيار التلسكوب الخاص بك
إذا كانت دورة علم الفلك التي تدرسها تثير شهيتك لاستكشاف السماء بشكل أكبر، فقد تفكر في شراء التلسكوب الخاص بك. تتوفر العديد من التلسكوبات الممتازة للهواة، ويلزم إجراء بعض الأبحاث للعثور على أفضل نموذج لاحتياجاتك. بعض المصادر الجيدة للمعلومات حول التلسكوبات الشخصية هي المجلتان الأمريكيتان الشهيرتان اللتان تستهدفان علماء الفلك الهواة: Sky & Telescope و Ast كلاهما يحملان مقالات منتظمة مع نصائح ومراجعات وإعلانات من تجار التلسكوب ذوي السمعة الطيبة.
تعتمد بعض العوامل التي تحدد التلسكوب المناسب لك على تفضيلاتك:
- هل ستقوم بإعداد التلسكوب في مكان واحد وتركه هناك، أم تريد أداة محمولة يمكن أن تأتي معك في رحلات خارجية؟ إلى أي مدى يجب أن تكون محمولة، من حيث الحجم والوزن؟
- هل تريد مراقبة السماء بعيونك فقط، أم تريد التقاط صور فوتوغرافية؟ (يتطلب التصوير الفوتوغرافي طويل التعرض، على سبيل المثال، محرك ساعة جيد لتشغيل التلسكوب للتعويض عن دوران الأرض.)
- ما أنواع الأشياء التي ستراقبها؟ هل أنت مهتم في المقام الأول بالمذنبات أو الكواكب أو مجموعات النجوم أو المجرات، أو هل تريد مراقبة جميع أنواع المشاهد السماوية؟
قد لا تعرف الإجابات على بعض هذه الأسئلة حتى الآن. لهذا السبب، قد ترغب في «اختبار» بعض التلسكوبات أولاً. تحتوي معظم المجتمعات على نوادي علم الفلك للهواة التي ترعى حفلات النجوم المفتوحة للجمهور. غالبًا ما يعرف أعضاء هذه النوادي الكثير عن التلسكوبات ويمكنهم مشاركة أفكارهم معك. قد يعرف معلمك أين يلتقي أقرب نادي لعلم الفلك للهواة؛ أو للعثور على نادٍ قريب منك، استخدم مواقع الويب المقترحة في الملحق ب.
علاوة على ذلك، قد يكون لديك بالفعل أداة مثل التلسكوب في المنزل (أو يمكنك الوصول إلى واحدة من خلال قريب أو صديق). يوصي العديد من علماء الفلك الهواة ببدء مسح السماء بزوج جيد من المناظير. يمكن حملها بسهولة ويمكن أن تظهر لك العديد من الأشياء غير المرئية (أو الواضحة) للعين دون مساعدة.
عندما تكون مستعدًا لشراء تلسكوب، قد تجد الأفكار التالية مفيدة:
- السمة الرئيسية للتلسكوب هي فتحة المرآة الرئيسية أو العدسة؛ عندما يقول شخص ما أن لديه تلسكوبًا بحجم 6 بوصات أو 8 بوصات، فهذا يعني قطر سطح التجميع. وكلما زاد حجم الفتحة، زادت كمية الضوء التي يمكنك جمعها، وزادت العناصر التي يمكنك رؤيتها أو تصويرها.
- عادةً ما تكون التلسكوبات ذات الفتحة المعينة التي تستخدم العدسات (أجهزة الانكسار) أكثر تكلفة من تلك التي تستخدم المرايا (العاكسات) لأن كلا جانبي العدسة يجب تلميعهما بدقة كبيرة. ولأن الضوء يمر عبرها، يجب أن تكون العدسة مصنوعة من زجاج عالي الجودة في جميع الأنحاء. في المقابل، يجب أن يكون السطح الأمامي للمرآة فقط مصقولًا بدقة.
- لا يعد التكبير أحد المعايير التي يجب أن تستند إليها في اختيارك للتلسكوب. كما ناقشنا، يتم تكبير الصورة بواسطة عدسة أصغر، لذلك يمكن ضبط التكبير عن طريق تغيير العدسات. ومع ذلك، لن يقوم التلسكوب بتكبير الكائن الفلكي الذي تشاهده فحسب، بل سيزيد أيضًا من اضطراب الغلاف الجوي للأرض. إذا كانت نسبة التكبير عالية جدًا، فسوف تلمع صورتك وتهتز ويصعب عرضها. سيأتي التلسكوب الجيد بمجموعة متنوعة من العدسات التي تبقى ضمن نطاق التكبير المفيد.
- يعد تركيب التلسكوب (الهيكل الذي يرتكز عليه) أحد أهم عناصره. نظرًا لأن التلسكوب يُظهر مجال رؤية صغيرًا، يتم تكبيره بشكل كبير، حتى أصغر اهتزاز أو تنافر للتلسكوب يمكن أن يحرك الكائن الذي تشاهده حول مجال الرؤية أو خارجه. يعد التركيب القوي والمستقر ضروريًا للمشاهدة الجادة أو التصوير الفوتوغرافي (على الرغم من أنه يؤثر بوضوح على مدى قابلية حمل التلسكوب).
- يتطلب التلسكوب بعض التدريب لإعداده واستخدامه بفعالية. لا تتوقع أن يسير كل شيء بشكل مثالي في محاولتك الأولى. خذ بعض الوقت لقراءة التعليمات. إذا كان نادي علم الفلك المحلي للهواة قريبًا، فاستخدمه كمورد.
ملخص
يقوم التلسكوب بجمع الضوء الخافت من المصادر الفلكية ووضعه في بؤرة التركيز، حيث يمكن للأداة فرز الضوء وفقًا لطول الموجة. ثم يتم توجيه الضوء إلى كاشف، حيث يتم عمل سجل دائم. تتحدد قدرة التلسكوب على جمع الضوء من خلال قطر الفتحة، أو الفتحة، أي بمساحة العدسة أو المرآة الأكبر أو الرئيسية. العنصر البصري الأساسي في التلسكوب هو إما عدسة محدبة (في تلسكوب منكسر) أو مرآة مقعرة (في عاكس) تجلب الضوء إلى التركيز. معظم التلسكوبات الكبيرة عبارة عن عاكسات؛ فمن الأسهل تصنيع ودعم المرايا الكبيرة لأن الضوء لا يجب أن يمر عبر الزجاج.
مسرد المصطلحات
- فتحة
- قطر العدسة الأولية أو مرآة التلسكوب
- انحراف لوني
- التشوه الذي يتسبب في ظهور الصورة بشكل غامض عندما يركز كل طول موجة يدخل في مادة شفافة على بقعة مختلفة
- كاشف
- جهاز حساس للإشعاع الكهرومغناطيسي يقوم بتسجيل الملاحظات الفلكية
- العينية عدسة المجهر
- عدسة مكبرة تستخدم لعرض الصورة التي تنتجها العدسة الموضوعية أو المرآة الأساسية للتلسكوب
- التركيز
- (من التلسكوب) نقطة تلتقي فيها أشعة الضوء المتقاربة بواسطة مرآة أو عدسة
- برايم فوكس
- نقطة في التلسكوب حيث تقوم العدسة الموضوعية أو المرآة الأساسية بتركيز الضوء
- تلسكوب عاكس
- تلسكوب يكون فيه مجمع الضوء الرئيسي مرآة مقعرة
- تلسكوب الانكسار
- تلسكوب يكون فيه مجمع الضوء الرئيسي عبارة عن عدسة أو نظام عدسات
- مقراب
- أداة لجمع الضوء المرئي أو الإشعاع الكهرومغناطيسي الآخر