Aktualności,  Astronomia

HISTORIA OBSERWACJI ASTRONOMICZNYCH – teleskopy. Dwoje oczu – to za mało! (CZ.I)

O tym, jak dalece niewystarczające jest w astronomii, choćby najdoskonalsze, ludzkie oko, możemy przekonać się, mając dziś możliwość penetrowania – za pomocą najnowocześniejszych teleskopów i technik obserwacyjnych – coraz to dalszych obszarów tzw. głębokiego Wszechświata, ale też dostrzegania coraz większej liczby bliższych, lecz dla naszego wzroku zbyt słabo świecących ciał. Przez setki i tysiące lat nie będąc raczej nawet świadomym tego, jakie
bogactwo astronomicznych obiektów ukryte jest przed jego oczami, dopiero przed czterystu laty człowiek otrzymał wspaniałe narzędzie, by w miarę jego doskonalenia poznawać coraz więcej tajemnic Kosmosu.

Na początku długiej drogi do współczesnych konstrukcji teleskopów była jednak soczewka. Stosowanie dziś dość powszechnie, soczewek kontaktowych, może nieraz zawężać znaczenie słowa: soczewka, właśnie do takich, zastępujących okulary, nakładanych wprost na oczy.
Uściślijmy więc na wszelki wypadek, że (z definicji) soczewka, to bryłka przeźroczystego materiału, której dwie przeciwlegle ściany są najczęściej wycinkami powierzchni kulistej (sfery). Ale też jedna z nich może być płaska i dlatego wyróżniamy sześć podstawowych typów soczewek: obustronnie wypukłe, obustronnie wklęsłe, płasko-wypukłe i płasko-wklęsłe albo też wklęsło-wypukłe lub wypukło-wklęsłe. Współcześnie stosuje się jednak również, odbiegające mniej lub bardziej od kuli, kształty będące wycinkami powierzchni niesferycznych: paraboloidalne, hiperboloidalne lub elipsoidalne (powstałe przez obrót paraboli, hiperboli czy elipsy), a nawet będące wycinkiem powierzchni walca. Szerokie zastosowanie w optyce, w tym także w teleskopach, mają również zwierciadła – nie tylko płaskie, ale i o lustrzanych powierzchniach sferycznych, paraboloidalnych, hiperoloidalnych, a nawet cylindrycznych, w których poprzez odbicie, uzyskuje się zmiany kierunku promieni świetlnych podobne, jak w soczewkach. Zwierciadła wklęsłe skupiają światło, jak soczewki wypukłe, zaś zwierciadła wypukłe są lustrzanym
odpowiednikiem soczewek wklęsłych.

Nie sposób zbyt dokładnie określić, od jak dawna człowiek potrafił wykorzystywać i, co ważniejsze, kształtować soczewki z kwarcowych bryłek. Niektóre źródła sięgają nawet czasów starożytnych, kiedy specjalnie wyszlifowane kryształy kwarcu lub innych przeźroczystych kamieni, stosowane były do poprawiania widzenia – co trudno jeszcze nazwać okularami. Być może także naturalnych kryształów o kształcie zbliżonym do soczewek używano do rozpalania ogniska. Kto z nas w dzieciństwie nie bawił się skupianiem promieni Słońca za pomocą lupy lub innej soczewki, przekonując się jak wysoka temperatura powstaje w punkcie skupienia światła i ciepła promieniowania słonecznego?

Z pewnością jednak, najstarszym zastosowaniem specjalnie kształtowanych soczewek, było użycie ich do poprawiania widzenia na odległość lub do uzyskiwania powiększonych obrazów bliskich, ale drobnych elementów, na przykład liter na gęsto zapisywanych stronach ksiąg. Warto tu przypomnieć, że rolę lupy mogą spełniać jedynie – ogólnie nazywane wypukłymi – soczewki obustronnie wypukłe, rzadziej płasko-wypukłe lub wklęsło-wypukłe. W tych ostatnich wypukłość jednej strony jest wydatniejsza od wklęsłości drugiej. Tylko te trzy typy soczewek potrafią skupiać światło, stąd ich poprawna nazwa to: soczewki skupiające, w odróżnieniu do pozostałych trzech – rozpraszających, które zresztą mają znacznie krótszą historię.

A czy pojedyncza soczewka może być pomocna w lepszym widzeniu nieba? Zdrowemu czy raczej: prawidłowemu oku, nie pomoże. Niestety, chyba od zawsze, nie wszyscy rodzą się z prawidłowymi proporcjami oka – jedni z nich są krótkowidzami, inni dalekowidzami. Pierwsi dobrze widzą z bliska, zaś obrazy dalekich obiektów powstają w ich oku w zbyt bliskiej odległości od siatkówki – światłoczułego elementu oka. Drudzy doskonale widzą z daleka, a gorzej z bliska, bo obraz w ich oku powstawałby za daleko, a na bliżej położoną siatkówkę trafia mało ostry. Zatem krótkowidzowi trzeba dodatkowej soczewki oddalającej obraz – to właściwość soczewek rozpraszających – by mógł ostro widzieć, praktycznie przecież znajdujące się w nieskończoności, gwiazdy, planety czy Księżyc.

Dalekowidz nie ma tego problemu, bo właśnie te dalekie obiekty widzi ostrzej. Bywają wprawdzie jeszcze bardziej złożone niedoskonałości budowy oka, np. astygmatyzm (niezborność), zdarzające się zarówno u krótko- jak i dalekowidzów. Dziś korygowane bardziej wyrafinowanymi szkłami okularowymi lub soczewkami kontaktowymi, dawniej też w istotny sposób utrudniały widzenie, a więc również obserwację nieba, nawet dalekowidzom.

Pozostańmy jeszcze nieco przy – pozornie niezwiązanej z celem, do którego zmierzam – okulistyce, a raczej optyce okularowej, która w pewnym sensie dała początek współczesnym narzędziom do obserwacji nieba. Najdawniejsze znane, chińskie i arabskie wzmianki o stosowaniu specjalnie szlifowanych szkieł do poprawiania wzroku datuje się na X wiek. Najstarsze, pochodzące z wykopalisk na szwedzkiej Gotlandii, oprawione płasko-wypukłe soczewki, powstały w drugiej połowie XI wieku, raczej używane jako lupa. Za początek stosowania w Europie soczewek w charakterze szkieł korekcyjnych, czyli okularów, przyjmuje się przełom XIII i XIV wieku.

Dobrze rozwinięte były już wtedy teoretyczne podstawy optyki, w tym optyki narządu wzroku, do czego w znakomitym stopniu przyczynił się XIII-wieczny, pochodzący z Dolnego Śląska, polski matematyk i fizyk, Witelon (Witelo). Jednak dopiero w połowie XV wieku odkryto działanie korekcyjne soczewek wklęsłych (rozpraszających) na wzrok krótkowidzów. Początkowo okulary były jednosoczewkowe, później już z soczewkami dla obu oczu, poprzez takie odmiany jak XIX-wieczne lornion, trzymane w ręce za specjalny uchwyt, czy też binokle, specjalnym sprężynowym uchwytem trzymające się wyłącznie nosa, aż po współczesną, liczącą sobie zaledwie około stu lat, wersję z dwoma uchwytami na uszy.

A kiedy powstały pierwsze teleskopy? Na wszelki wypadek warto uprzedzić, że na słynnym obrazie Jana Matejki, przyrząd stojący przed Mikołajem Kopernikiem, na tarasie jego fromborskiego obserwatorium z przełomu XV/XVI wieku, to nie luneta, a triquetrum, ruchomy liniał do pomiarów położeń ciał na niebie. Nie dysponował jeszcze również teleskopem w swym znakomitym duńskim obserwatorium Uranienburg na wyspie Hven, żyjący w drugiej połowie XVI wieku, największy astronom epoki renesansu, Tycho Brahe. Ale też całkowicie nieuprawnione jest przypisywanie wynalazku teleskopu Galileuszowi, który jednak prawdopodobnie jako pierwszy, w 1609 roku, skierował swą lunetę w niebo, dokonując szeregu istotnych odkryć.

Wiele wskazuje na to, że faktycznym wynalazcą, nie tylko soczewkowego, lecz także zwierciadlanego teleskopu, był XVI-wieczny angielski matematyk i geometra, Leonard Digges, wraz z synem Thomasem prowadzący udane eksperymenty optyczne z soczewkami i zwierciadłami kulistymi. Prawdopodobnie jednak pierwszym konstruktorem, opatentowanego w 1608 roku wynalazku lunety soczewkowej był niderlandzki optyk okularowy – Hans Lippershey, natomiast dopiero 60 lat później, pierwszą konstrukcję teleskopu z wklęsłym zwierciadłem zamiast soczewki obiektywu, londyńskiemu Royal Society zademonstrował Isaac Newton. Nie ma pewności, czy Lippershey znał wcześniejsze prace Diggesów, a z jego wynalazkiem związana jest pewna zabawna anegdota.

To podobno jego dzieci, bawiące się soczewkami przed warsztatem ojca, patrząc na wieżę miejscowego ratusza przez ułożone jedna za drugą soczewki, przypadkowo zauważyły, że kurek na wieży jest powiększony, jakby był bliżej (rycina). To zapoczątkowało eksperymenty optyczne Lippersheya, skutkujące skonstruowaniem lunety soczewkowej i patentem.
Dysponując jakimikolwiek, choćby okularowymi, dwiema soczewkami – skupiającą, najlepiej +2 do +2,5 dioptrii oraz rozpraszającą, najlepiej –5 dioptrii lub więcej i kierując na wyciągniętej ręce tę pierwszą na jakiś odległy cel, a drugą przykładając przy oku, po doregulowaniu ostrości poprzez dobranie odpowiedniej odległości między soczewkami, możemy zobaczyć mniej więcej to samo, co dzieci Lippersheya. Jeśli zaś soczewka przy oku będzie miała podobną jak poprzednio moc, ale będzie też skupiająca (+5 dioptrii lub więcej), przy nieco większym rozstawie między nimi zobaczymy obraz również powiększony, ale… odwrócony „do góry nogami”. Oczywiście tak uzyskane obrazy raczej nie będą zadowalającej jakości, ale na własne oczy zobaczymy jak to przed wiekami odkryto. Po propozycji takiego eksperymentu, pora powrócić do historii teleskopu, do 1609 roku, do Padwy i działającego tam wtedy Galileusza.


Choć przynajmniej rok wcześniej podobne lunety były używane jako pomocne przy obserwacji pozycji wroga na polu walki, to dopiero astronomiczne ich zastosowanie i odkrycia dokonane przez Galileusza spowodowały, że właśnie jego teleskopy powszechnie uważa się za początek historii tych instrumentów. Toteż ta pierwsza wersja teleskopu przeszła do historii pod nazwą lunety Galileusza. Jej konstrukcja składa się z soczewki skupiającej jako obiektywu i rozpraszającej w roli okularu, umieszczonych na dwóch końcach tubusa o długości równej mniej więcej ogniskowej soczewki obiektywu. Ten układ optyczny daje obraz powiększony i prosty, co doskonale sprawdza się w obserwacji obiektów naziemnych, których obraz odwrócony mógłby być dalece niekomfortowy – stąd inna nazwa takiego instrumentu: luneta ziemska.

Powiększenie takiej lunety wyznacza wprost stosunek długości ogniskowych – obiektywu do okularu. Na tej samej zasadzie konstruowane są i dziś niewielkie m.in. lornetki teatralne, o kilkukrotnych powiększeniach.
Dokonania Galileusza za pomocą swoich lunet, z których największa dawała 30-krotne powiększenie, stanowią pierwszy znaczący krok w poznawaniu dotąd niedostrzegalnych elementów naszego kosmicznego otoczenia.

I tak, obserwując Księżyc dostrzegł on góry na jego powierzchni, a z długości ich cieni wyznaczył wysokość wielu z nich. Obserwując Jowisza i Wenus znalazł argumenty świadczące o słuszności heliocentrycznej teorii Kopernika. Odkrycie czterech największych satelitów Jowisza, do dziś nazywanych księżycami galileuszowymi, dostarczyło informacji, że poza Ziemią istnieje ruch obiegowy wokół innych obiektów. Również podobne do księżycowych fazy Wenus oraz wyraźnie zmienne jej rozmiary w różnych fazach, zaprzeczały teorii geocentrycznej, z Ziemią jako centrum ruchu obiegowego planet.

Konstrukcję lunety Galileusza cechowało niezbyt duże pole widzenia, toteż 2 lata później pojawiło się, zaproponowane przez Johannesa Keplera, alternatywne rozwiązanie z soczewką skupiającą również w roli okularu. Taka konstrukcja, znana jako luneta Keplera, jest również dziś bardzo popularna, nie tylko w niewielkich teleskopach amatorskich, tyle że pojedyncze soczewki dawno już zastąpiono ich układami, pozwalającymi korygować liczne niedoskonałości optyki. Teleskopy soczewkowe, których działanie polega w pełni na załamaniu światła w soczewkach (obiektywu i okularu) noszą nazwę refraktorów. Największy dziś na świecie refraktor, o średnicy obiektywu 102 cm i ogniskowej 19,4 m, pracuje od 1897 roku w Yerkes Observatory w Williams Bay, w amerykańskim stanie Wisconsin.

Największym w Polsce jest refraktor 30 cm/4,5 m w obserwatorium astronomicznym Planetarium Śląskiego w Chorzowie, zbudowany w 1955 roku. Jednak pod względem rozmiarów, nawet ten największy ustępuje niektórym siedemnastowiecznym konstrukcjom, o długości dochodzącej do 60 metrów!

Jednym z czołowych mistrzów w tej dziedzinie był światowej sławy, również XVII-wieczny, gdański astronom Jan Heweliusz. Po co budowano tak wielkie teleskopy? Tu warto wymienić dwie podstawowe korzyści z obserwacji nieba za pośrednictwem teleskopu. Pierwszą, choć niekoniecznie najważniejszą, jest powiększenie, ściślej: powiększenie kątowe, czyli zwiększenie kątowych rozmiarów oglądanych obiektów. Dzięki temu już pierwsi użytkownicy najprostszych nawet lunet mogli, czy to na ziemi, czy na nocnym niebie, pozornie „zbliżać” wybrane obiekty, lepiej poznając ich szczegóły. Istotną rolę odgrywa tu ograniczona zdolność rozdzielcza ludzkiego oka, w zasadzie nieodróżniająca sąsiadujących ze sobą elementów, jeśli są kątowo bliżej niż 1’ od siebie. Powiększenie zwiększa te odstępy, umożliwiając dostrzeżenie wielokrotnie drobniejszych szczegółów. Stąd sukcesy Galileusza w obserwacjach Księżyca, Wenus i Jowisza, a także Saturna (dziwne „uszy” po bokach planety) i Słońca (plamy słoneczne).

Niestety, nie dotyczy to gwiazd, najliczniejszej przecież grupy obiektów nocnego nieba. Ogromne ich odległości, tysiące i miliony razy większe od najdalszych dziś znanych nam obiektów Układu Słonecznego, powodują, że nawet te największe są dla nas praktycznie bezwymiarowymi punkcikami na ziemskim niebie i takimi pozostają nawet przy kilkusetkrotnym powiększeniu. Prawdę mówiąc, w siedemnastowiecznych, bardzo niedoskonałych optycznie teleskopach, zapewne gwiazdy prezentowały się jako nieco rozmyte świetliste plamki. Niewątpliwie jednak już wtedy zauważono, że jest ich o wiele więcej (choć na ówczesnych mapach nieba zamieszczano jedynie te dostrzegalne, jak dawniej, gołym okiem). Zawdzięczamy to drugiej właściwości teleskopu, którego obiektyw stanowi jakby pierwszą „źrenicę” naszego oka, bez porównania większą od tej naturalnej, która w ciemności może rozszerzyć się mniej więcej do 8 mm. Już nawet przez 10-centymetrową średnicę obiektywu niewielkiego teleskopu, do jego wnętrza dociera ponad 150-krotnie więcej światła każdego obiektu, które skupione, niemal w całości dociera, poprzez okular, do wnętrza oka. Mamy więc do czynienia ze wzmocnieniem światła, tym większym, im większy jest stosunek powierzchni obiektywu teleskopu do powierzchni źrenicy naszego oka. W powyższym przykładzie, 150-krotne wzmocnienie pozwala dojrzeć nie kilka, a kilkaset tysięcy gwiazd.

Prawdziwą zmorą soczewek są ich typowe wady optyczne. To przede wszystkim aberracja chromatyczna, wynikająca z faktu, że promienie świetlne o różnych długościach załamują się w soczewce w niejednakowym stopniu, co powoduje uciążliwe, widoczne zwłaszcza na krawędziach obrazu, tęczowe obwódki. Wadę tę nauczono się skutecznie minimalizować dopiero w połowie XVIII wieku przez połączenie dwóch soczewek – skupiającej i rozpraszającej, wykonanych z materiałów o różnym współczynniku załamania światła. Drugą uciążliwość stanowi aberracja sferyczna, wynikająca z różnego stopnia załamania promieni świetlnych, w zależności od odległości od środka soczewki, w związku z różną grubością warstw soczewki, przez które przechodzą. Tę wadę próbowano ograniczać stosując bardzo cienkie soczewki obiektywu, zmniejszając tym sposobem różnice grubości. Niestety, im bardziej płaska soczewka skupiająca, tym dłuższa jest jej ogniskowa. Wprawdzie to przy okazji pomaga w uzyskaniu wyższego powiększenia (wyrażającego się stosunkiem długości ogniskowej obiektywu do ogniskowej okularu), ale z drugiej strony, zmniejsza jasność obrazu (stosunek średnicy soczewki do jej ogniskowej) – no i stwarza niebagatelne kłopoty przy manipulowaniu kilku- czy zwłaszcza kilkudziesięciometrowym korpusem takiego teleskopu. Dodatkowym czynnikiem psującym obraz jest zjawisko ugięcia światła na krawędziach tubusa, tym większe, im mniejsza jego, a więc i obiektywu, średnica.

 102 cm refraktor w Yerkes Observatory (USA) – rok 1887. Źródło: ESA

30 cm refraktor w obserwatorium Planetarium Śląskiego – rok 1955. Źródło: „Gwiazdy nad nami – rzecz o śląskim planetarium”, WAG Katowice 1970

Przykładem, jak czasami dość nieporadnie próbowano walczyć z tymi wadami, jest konstrukcja największego teleskopu w świetnie wyposażonym gdańskim obserwatorium Heweliusza. Właściwie, to – z racji swych rozmiarów – 45-metrowa luneta musiała zostać ulokowana na błoniach poza miastem, gdzie jej „kariera” w zasadzie skończyła się na pokazach, ponieważ chybotliwa konstrukcja lunety nie za bardzo sprzyjała poważniejszym obserwacjom astronomicznym. Znakomicie za to służyły Heweliuszowi, nie aż tak wielkie, w większości kilkumetrowe lunety, zarówno systemu Galileusza, jak i Keplera, na jego tarasie obserwacyjnym, usytuowanym na trzech kamienicach gdańskiego Starego Miasta, z największą 18-metrową. Z ogromnego dorobku Heweliusza, wspomnijmy tylko trzy z jego dzieł. Już w 1647 roku wydana „Selenographia”, zawierała m.in. wyniki szczegółowych obserwacji Księżyca wraz z 43 szczegółowymi mapami jego powierzchni w różnych fazach oświetlenia, opisy zaćmień Księżyca i zakryć innych ciał przez Księżyc, a także faz Merkurego. W „Cometographii” z 1668 roku opisał obserwacje siedmiu komet, w tym czterech, które sam odkrył.

Uwieńczeniem ponad 40-letniej działalności Heweliusza na polu astronomii był, wydany już pośmiertnie w 1690 roku, „Prodromus Astronomiae”, ze wspaniałym atlasem nieba Uranographia. Te i liczne dokonania innych XVII-wiecznych astronomów, to efekt pierwszego niespełna stulecia stosowania teleskopów. Wielu kłopotom z układami soczewkowymi udało się zaradzić, dzięki zaproponowanej przez Isaaca Newtona, również jeszcze w XVII wieku, zamianie soczewki obiektywu teleskopu, pozbawionym niektórych jej wad, zwierciadłem wklęsłym, co znacznie rozszerzyło możliwości obserwacyjne. Ale te i inne, współcześniejsze nam konstrukcje teleskopów zwierciadlanych będą tematem kolejnego artykułu o astronomicznych instrumentach obserwacyjnych (CZ.II).

Autor: Jan Desselberger

Artykuł ukazał się w miesięczniku Astronomia nr 53, listopad 2016

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *