Székely Péter
A távcső tökéletesítése Galileitől a XX. század közepéig

 
A csillagászat történetében minden bizonnyal a távcső feltalálása volt a leglényegesebb megfigyeléstechnikai fordulat, hiszen ezen eszköz segítségével alakultak át az addig szabad szemmel végzett vizsgálatok egy immár komoly tudomány szigorú alapjaivá. A kezdetekben egyszerű kivitelű és gyatra képalkotású eszközöket természetesen folyamatosan fejlesztették az idők során. E fejlesztéseket alapvetően három igény motiválta: nagyobb fénygyűjtőképesség az ezzel együtt járó jobb felbontással, az élesebb képalkotás és nem utolsósorban a robusztusabb állványok, mechanikák.

A XVII. század első évtizedében Hollandiában feltalált (az elsőségért többen is vetekedtek, például Hans Lipperhey és Sacharias Janssen) távcső vitathatatlanul Galileo Galilei kezében vált csillagászati műszerré 1609 telén. A róla elnevezett Galilei- vagy hollandi-távcső bikonvex objektívlencsét és bikonkáv okulárlencsét tartalmazott, így egyenes állású képet adott viszonylag kis nagyítás és szűk látómező mellett. Maga Galilei is számos kisebb (alig néhány cm nyílású!) távcsövet fabrikált, így hamar számos követőre talált, akik az 1610-es évek közepén már a Nap megfigyeléseihez is ezt az új eszközt használták. Mindazonáltal a lencsék ilyen elrendezése korlátozta az új felfedezések lehetőségét.

Johannes Kepler 1611-es keltezésű Dioptrice című munkájában javasolt egy alternatív elrendezést két bikonvex lencsével, amely nagyobb látómezőt és nagyítást tett lehetővé, azzal a (csillagászati megfigyelések során kevésbé zavaró) hátránnyal, hogy a kép így fordított állású lesz, azaz földi megfigyelések esetén „fejjel lefelé” áll a kép. Ismereteink szerint Kepler egyetlen távcsövet sem készített, de hozzáértését bizonyítja, hogy leírta a szferikus aberrációt, azaz a gömbi torzítást: az optikai tengelytől távol beeső fénysugarak máshol fokuszálódnak, mint a tengelyhez közelebbi nyalábok. (Kepler hiperboloid felületeket javasolt ennek elkerülésére, a kor optikusainak képességeit azonban meghaladta ilyen felület csiszolása.) A lencsés távcsövek, azaz a refraktorok - mivel a fénytörést (refrakciót) használják - másik komoly hátránya volt a kromatikus aberráció, vagyis a színi hiba: ennek során a lencse különböző szögben töri meg az eltérő hullámhosszúságú fénysugarakat, melynek eredménye különböző színes gyűrűk kialakulása a kép körül. A kepleri elrendezés ezen hibáit egyrészt az objektív leblendézésével, másrészt kisebb görbületű, azaz nagyobb fókuszú lencsék alkalmazásával lehetett csökkenteni. Ezúttal a távcsövek legfontosabb paramétere a fókusztávolság lett, amelyet szokás szerint angol lábban (1 láb kb. 30 cm) adtak meg.

Johannes Hevelius gdanski sörfőző 1647-ben 12 láb fókuszú távcsövével már a Hold részletes térképét készítette el, egy évtizeddel később a holland Christiaan és Constantijn Huygens a Szaturnusz rendszerét vizsgálgatta még hosszabb fókuszú műszerével. Hevelius még egy 150 láb (közel 50 méter!) fókusztávolságú távcsövet is konstruált, melynek használata az alkalmazott kötelek és csigák miatt meglehetősen nehézkes volt (1. ábra). A XVII. század második felében használt lencsék minősége már tűrhető volt, viszont az alkalmazott állványok, mechanikák csapnivalóan rosszak voltak. A kor csillagászai azonban már viszonylag pontos méréseket tudtak végezni mikrométerek segítségével, mellyel az égitestek egymáshoz viszonyított szögtávolságait határozták meg.

1. ábra. Hevelius 150 láb fókusztávolságú lencsés távcsöve

Akkoriban két út kínálkozott a távcsövek fejlesztésére: a refraktorok (lencsés távcsövek) kromatikus aberrációjának csökkentése vagy egy teljesen új optikai elrendezés kifejlesztése. Már Galilei korában felmerült a lehetősége annak, hogy tükrök és lencsék egyidejű alkalmazásával „hibrid” optikai eszközöket hozzanak létre. Az első modern - fényvisszaverődésen, azaz reflexión alapuló - reflektor leírása James Gregory nevéhez köthető (1663). Az általa felvázolt eszköz - kifúrt parabolatükörrel, konkáv ellipsziodális segédtükörrel - azonban túlmutatott a korabeli optikusok lehetőségein. Kortársa, Isaac Newton a színi hibát vizsgálva (és talán Niccolo Zucchi 1616-os ötletét követve) 1672-ben új megoldást fundált ki az általa refraktorok esetén kiküszöbölhetetlennek tartott leképezési hiba kikerülésére: réz, ón és némi arzén ötvözetéből (spekulum) készített gömbtükör alkotta (azaz jelentős szferikus aberrációval terhelt) képet egy kisebb, lapos, 45 fokban elhelyezett segédtükörrel vetítette ki oldalra, ez az elrendezés a róla elnevezett Newton-távcső alapja. Mindeközben a francia Laurent Cassegrain Gregory rendszeréhez hasonló elrendezést javasolt, de konkáv segédtükörrel.

1720 körül John Hadley (az oktáns feltalálója és a használható azimutális állvány tervezője) oldotta meg a gömbi hiba problémáját parabolikus felület alkalmazásával. Húsz éven belül a londoni James Short már kereskedelmi vállalkozás keretében gyártotta a Gregory- reflektorokat.

William Herschel autodidakta csillagászként és optikusként az 177 0-es évek elején kezdte el önteni és csiszolni saját tükreit. 1789-ben készült el a 40 láb (kb. 12 méter) fókusztávolságú, 120 cm főtükörátmérőjű műszere, amelyet az alkalmazott szerelés következtében csak rendkívül nehézkesen lehetett használni (2. ábra). A XVIII-XIX. század fordulójára az angol optikusok már számos elrendezésben gyártották a teleszkópokat, de a nagyméretű tükrök gyártása nem volt jellemző. William Parsons (Lord Rosse) az 1840-es években kezdett el nagyméretű fémtükrök öntésével és polírozásával kísérletezni. Leginkább használható műszere egy kb. 90 cm átmérőjű tükröt tartalmazó Newton-távcső volt, amivel elég sok megfigyelést végzett az ott (Írország) uralkodó nem túl kedvező időjárási körülmények ellenére. A szerzett ismeretek birtokában vágott bele a 183 cm-es „Leviathan” megépítésébe, melynél nagyobb távcső nem épült egészen 1918-ig. A csupán minimális oldalirányú elmozdulásra képes tranzit-távcső két kőfal közé épült, így használhatósága igencsak korlátozott volt, mindazonáltal sikerült néhány köd spirális mintázatát felismernie.

2. ábra. Herschel 40 láb fókuszú tükrös műszere

A távcső fejlesztésének másik útja a refraktorok képalkotását romboló színi hiba kiküszöbölésére irányult; a képminőséget kevéssé romboló szferikus aberrációt a francia René Descartes és közvetve Marin Mersenne kutatta elméletben. Chester Moor Hall 1729-ben ismerte fel, hogy egy konkáv koronaüveg és egy konvex f lintüveg összeillesztésével akromatikus (több hullámhosszra azonos fókuszt adó) objektív készíthető. Mivel ő nem volt optikus, az 1750-as évekig kellett várni, amíg John Dollond cége és Jesse Ramsden kereskedelmi mennyiségben és minőségben tudtak akromatikus lencséket csiszolni, amelyeket a legkülönfélébb optikai eszközökben használtak fel, bár az alkalmazott flintüveg minősége meglehetősen gyatra volt.

A XIX. század során a fejlett optikai technológiának és a precíz, stabil ekvatoriális mechanikáknak köszönhetően a refraktorok elérkeztek fejlődésük csúcsára. A svájci Guinand 1805-re vált képessé optikai hibáktól mentes flintüveg előállítására, és müncheni üzleti vállalkozása keretében tanította ki Joseph Fraunhofert. Ez utóbbi spektrumokkal való kísérletezés során képes volt meghatározni a kombinálandó lencsék görbületi sugarait. Az így előállított kéttagú objektív már mai szemmel nézve is igen jó, bár hibáktól nem mentes képet adott. Fraunhofer másik korszakalkotó tette a német ekvatoriális mechanika prototípusának megalkotása volt (1824). Az ilyen típusú állványzatra szerelt, 24 cm-es lencsét tartalmazó dorpati (ma Tartu) refraktorral Friedrich G. W. Struve alapvető munkásságot fejtett ki a kettőscsillagok megfigyelése terén. A súly hajtotta óragép alkalmazásával, azaz a pólustengely forgatásával a távcső vezetése csupán kisebb beavatkozásokat, korrekciókat igényelt; óragép nélkül lehetetlen lett volna a XIX. század második felében elterjedt fotografikus és spektrográfiai technikák alkalmazása.

A jobb minőségű üveganyagoknak, a tökéletesedő csiszoló/polírozó gépeknek és az optikák ellenőrzésére szolgáló késél-módszer kifejlesztésének (Foucault, 1858) köszönhetően egyre nagyobb és egyre jobb képalkotású lencsét sikerült gyártani mind Európában (Merz, Zeiss, Schott, Guinand, Cooke, Henry, Gautier, Steinheil, Repsold, Grubb - az akkori időket fémjelző néhány nagy név), mind Észak-Amerikában (Alvan Clark és fia, valamint Lundin). A refraktorok gyártásának csúcsát a 75 cm-es pulkovói (1883), a 93 cm-es Lick (1887) és a 102 cm-es Yerkes (1897) lencsék csiszolása jelentette, ezeknél nagyobb objektívlencsét azóta sem használtak.

Az 1840-ben született csillagászati fotográfiához sokáig vizuális célra konstruált távcsöveket használtak, amelyek azonban nem voltak a fotólemezek legérzékenyebb hullámhossz-tartományára - a kék oldalra - korrigálva. Az 1860-as években készített először az amerikai Rutherfurd fotografikus munkához korrigált objektíveket. A vizuális megfigyelésekhez használatos okulárok is jelentős fejlődésen mentek keresztül az egytagú lencséktől kiindulva: Huygens már 1640-ben két plánkonvex lencsét használt, ezt az elrendezést a XVIII. században Jesse Ramsden tökéletesítette, majd a következő században a Kellner- vagy ortoszkopikus típus jelentett továbblépést, emellett a Barlow által először alkalmazott okulár előtti konkáv lencsével lehetett fokozni a nagyítást.

A két legnagyobb spekulumtükör William Lassel 120 cm-es máltai távcsövében (1860) és Thomas Grubb ugyanekkora melbourne-i távcsövében (1869) gyűjtötte nem túl jó hatékonysággal a fotonokat, a fémtükrök korszaka azonban végéhez közeledett. Az 1850-es években Foucault és mások kísérletei nyomán az ezüstözött üvegtükrök jelentették az áttörést: a reflexiós réteg fakulásakor elég volt újraezüstözni a tükröt, nem kellett újra a megfelelő alakra csiszolni a felületet. Az angol Andrew Common koronaüvegből számos közepes méretű tükröt készített obszervatóriumok számára, ő mutatta meg, hogy lehetséges akár másfél méteres tükröt készíteni, akár úgy is, hogy az üvegkorong közepén lyuk van. Ezek a tükrök azonban tekintélyes súlyúak voltak: Lord Rosse, Grubb és Common ellensúlyokkal próbálták elkerülni a tükör alakjának saját súlya miatti torzulását. Az igazi, kellően komplikált megoldás az amerikai George Willis Ritchey nevéhez fűződik, amelyet a másfél méteres Wilson-hegyi reflektornál alkalmazott először. A mechanikáknak is alkalmazkodniuk kellett a megnövekedett terhekhez, a német ekvatoriális szerelés mellett elterjedtek az eredetileg a XVIII. században Sisson által feltalált tengelykeresztek különböző verziói: a Ramsden által tökéletesített angol szerelés, a villás szerelés (Common), valamint a francia szerelés (Gautier).

A csillagászati kutatások minőségében bekövetkezett fejlődés annak is köszönhető volt, hogy a nagyobb, főként nemzeti obszervatóriumok kikerültek a közeli nagyvárosok fényszennyezett, poros, füstös, valamint asztroklíma szempontjából is hátrányos közelségéből. A Máltán dolgozó Lassel volt az első, aki ennek szükségességére rámutatott, és a Lick Obszervatórium tervezésekor vették először figyelembe ezeket a szempontokat. Bár George Ellery Hale egy átlagos wisconsini helyszínt választott a nagy Yerkes-reflektor számára, gyorsan felismerte a megfelelő helyszín fontosságát, és megalapította a kaliforniai Wilson-hegyi obszervatóriumot.

A XIX. század végére meglehetősen sok egy méter körüli átmérőjű műszert használtak a csillagászok. Ritchey másfél méteres, villás szerelésű és sok technikai újítást tartalmazó Wilson-hegyi távcsöve mutatta meg 1908-ban, hogy lehet ennél még nagyobb, precíz és fotográfiára, spektroszkópiára egyaránt jól használható eszközt építeni. Ez utóbbi követelmény megvalósításához a Cassegrain-elrendezés volt kézenfekvő, azonban a főtükör kifúrása nem tűnt triviális feladatnak (Ritchey James Nasmyth nyomán egy harmadik tükröt helyezett közvetlenül a főtükör elé, ami oldalra vetítette ki a fényt). Ez a távcső - Ritchey számos mérnöki és optikai újítását felhasználva - hosszú időn keresztül a nagy távcsövek „standard modellje” maradt: önbeálló golyós csapágyakkal, elektronikus vezérléssel, könnyen elérhető és átváltható primer, Newtonés Cassegrain-fókusszal. A kanadai Plaskett a 183 cm-es Victoria-távcső tervezésekor találta ki, hogy a főtükör közepén a lyukat még a tükör olvadt állapotában kell kialakítani.

A XX. század első évtizedeiben főként spektroszkópiai célokra használták ezeket a tükrös távcsöveket. Az alacsony jel/zaj viszony és az extragalaktikus csillagászat térhódítása egyre nagyobb távcsöveket igényelt. Hale már a másfél méteres műszer csiszolásakor egy nagyobb - 100 hüvelykes azaz 2,54 méteres - tükörről álmodozott. Az ezt tartalmazó műszer meg is valósult és 1918-as szolgálatba állításától fogva 30 éven át volt a legnagyobb csillagászati távcső (3. ábra). Edwin P. Hubble munkássága nyomán méltán került a leghíresebb csillagászati eszközök közé. Hale még nagyobbra törő terve egy kétszer akkora átmérőjű távcső megalkotása volt, amelyhez 1928-ban a Rockefeller Alapítványtól kapott támogatást. Hamar világossá vált, hogy nem elég a „kicsi”, 100 hüvelykes műszert egyszerűen átskálázni nagyobb léptékre, számos, újonnan felmerült mérnöki problémára kellett megoldást találni, például a hatalmas üvegtükör hőtágulását is orvosolni kellett, erre a bórszilikát (Pyrex) üveganyag megjelenése jelentett gyógyírt. Emellett a tükör torzulásmentes felfogatása is komoly fejtörést okozott. A második világháború miatt csak 1948-ban tudott a kutatás frontvonalába lépni a Hale nevét megörökítő új műszer, azonban 1975- ig megőrizte elsőségét mint a legnagyobb optikai távcső.

3. ábra. A kaliforniai Mt. Wilson
Obszervatórium 100 hüvelykes (2,54 m)
tükröt tartalmazó Hooker-távcsöve

A spektroszkópia mellett a fotográfia háttérbe szorult, ennek oka részben a távcsövek kómahibája volt, ami az úgynevezett Ross-korrektor használatával küszöbölhető ki. Eltérő megoldást kínált a Ritchey és Henri Chrétien által javasolt (és az ő nevüket megörökítő) elrendezés, amely közel paraboloid alakú főtükröt, hiperbolikus segédtükröt és konkáv alakra hajlított fotólemezt használt. A lencsét és tükröt alkalmazó úgynevezett katadioptrikus rendszerek is mentesek a kómahibától, az első ilyen rendszert az észt/svéd származású Bernhard Schmidt fejlesztette ki 1930-ban. Az ő nevét viselő elrendezés egyszerűen előállítható szferikus főtükröt, valamint egy különlegesen csiszolt korrekciós lencsét használt, ami ugyan némi kromatikus aberrációt vitt a rendszerbe, de cserében korrigálta a gömbi és a kómahibát. Hátrányaként említhető a szintén görbült fókuszfelület. A rendkívül fényerős, rövid fókusztávolságú és nagy látómezejű Schmidttávcsövekkel számos fotografikus égboltfelmérés készült, melyek digitalizált verziói az interneten is hozzáférhetők. Az orosz Dmitrij Dmitrijevics Makszutov által 1944 -ben konstruált Makszutov-távcső szintén mentes a gömbi hibától, itt azonban a főtükör elé helyezett erősen görbült negatív meniszkusz lencse végzi a korrekciót.

A fejlődés azonban nem állt meg, a mérnökök/ tudósok leleménye tovább emelte a távcsövek technikai/optikai színvonalát: a spektrográfok hőmérséklet-szabályozásától fogva, a elektronikus vezérlésen át, az érzékenyebb fotografikus emulziókon keresztül az alumíniumból készült tükröző rétegekig. A fotoelektromos fotométerek megjelenése és tömeges elterjedése a XX. század közepétől végre egzakt fényességmérést tett lehetővé.  


Természet Világa, Feltárul a Világegyetem, 2009
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/