טלסקופ

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
הטלסקופ של סקר השמיים של סלואן (SDSS). טלסקופ מודרני בעל מפתח של 2.5 מטר.
הטלסקופ במפתח 5 מטר בהר פאלומר. צילום: יאיר הרכבי.

טלסקופ (באנגלית: Telescope) הינו כלי המשמש לצפייה בעצמים "רחוקים". במובן הרחב ביותר טלסקופים עובדים בכל אורכי הגל של הקרינה האלקטרומגנטית (למשל רדיו טלסקופ). מעבר לכך נעשה שימוש במילה טלסקופ על מנת לתאר מכשירים הצופים בקרינה חלקיקית (למשל טלסקופ ניוטרינו).

במקור המילה טלסקופ שימשה לתאור כלי הנועד לצפייה בתחום האור הנראה באמצעות העין האנושית ומטרתו היתה להגדיל זוויתית את העצם או העצמים שעליו אנו צופים ובכך להפוך אותם לגדולים (זוויתית).

האדם הראשון שעשה שימוש בטלסקופ למטרות אסטרונומיות (ככל הידוע לנו) היה גלילאו גלילאי. גלילאו, שבנה טלסקופים בעצמו, קרא למכשיר הנ"ל: פרספיקילום (באנגלית: Perspicillum) שבתרגום חופשי מלטינית פירושו "אמצעי לראות עצמים קטנים".

המילה טלסקופ שמקורה ביוונית ופירושה "לראות דברים רחוקים", ניתנה למכשיר זה בשנת 1611 ע"י המתמטיקאי ג'יובאני דאמיסיאני (Giovanni Demisiani).


תפקידו של טלסקופ אסטרונומי

טלסקופים אסטרונומיים הצופים בקרינה אלקטרומגנטית הינם מכשירים שתפקידם העיקרי (לפחות באסטרונומיה) הינו לאסוף אור מעצמים רחוקים (יחסית) ולמקד את האור במישור המוקד של הטלסקופ (ראו להלן). שתי תכונותיו החשובות ביותר של הטלסקופ (באסטרונומיה) הינן יכולת איסוף האור וכושר ההפרדה שלו. שתי התכונות הללו תלויות בקוטר הטלסקופ (או מפתח הטלסקופ, באנגלית: Telescope Diamaeter). מפתח הטלסקופ מציין את הקוטר (או הקוטר האפקטיבי, במקרה וחתך הטלסקופ איננו עגול) שמגדיר את השטח שבו נאספת הקרינה מהעצמים בהם אנו צופים.

ככל שמפתחו של הטלסקופ גדול יותר הוא אוסף אור רב יותר ועל כן הוא מסוגל "לראות" עצמים חיוורים יותר. בנוסף, ככל שקוטרו של הטלסקופ גדול יותר כך כושר ההפרדה שלו (ראו: כושר הפרדה זוויתי של טלסקופ) טוב יותר, כלומר הוא מסוגל להפריד בין שתי דמויות של כוכבים שמרחקם הזוויתי קטן (ראו גם: ראות אסטרונומית). תכונת איסוף האור הינה פשוטה יחסית - ככל ששטח האזור (למשל שטח המראה הראשית בטלסקופ מחזיר אור בתחום האור הנראה) שאוסף את הקרינה של עצם חללי גדול יותר, כך נאספת יותר קרינה מהעצם. לכמות הקרינה הנאספת חשיבות רבה - ככל שנאספת יותר קרינה כך ניתן להבחין בעצמים חלשים יותר. כמו כן, עבור עצמים בהירים יחס האות לרעש יהיה גדול יותר ויהיה ניתן לבצע מדידות יותר מדויקות.

עקיפה דרך סדק מעגלי - באיור מוצגת תבנית ההתאבכות המתקבלת כאשר אור ממקור נקודתי באין סוף עובר דרך סדק מעגלי (או מפתחו של טלסקופ). האזורים הגבוהים באיור מייצגים יותר אור והנמוכים פחות אור. ניתן לראות כי רוב האור של המקור מרוכז בשיא המרכזי, אך חלק מהאור מתפזר גם במרחקים גדולים יותר.

תכונת כושר ההפרדה של טלסקופ (ראו איור משמאל ומאמר מורחב בנושא: כושר הפרדה זוויתי של טלסקופ) היא היכולת שלו להפריד שני מקורות אור המצויים במרחק זוויתי מסוים זה מזה. עבור משטח אופטי מושלם כושר ההפרדה התאורטי של טלסקופ נובע מהתאבכות דרך מפתח הטלסקופ. עבור טלסקופים בעלי אופטיקה אידאלית במפתח מעגלי D, הצופים באורך גל λ כושר ההפרדה התאורטי, θ, ברדיאנים הוא:

\theta=1.22\frac{\lambda}{D}

עבור אור צהוב (אורך גל של כ- 5000 אנגסטרם) כושר ההפרדה בשניות קשת ניתן ע"י הקרוב הבא:

\frac{115.8}{D}

כאשר, D, הינו מפתח הטלסקופ במ"מ.

משמעות כושר ההפרדה היא שמקור אור נקודתי יוצר דמות שאיננה נקודתית ושהרוחב האופייני שלה בחצי העוצמה הינו בערך θ. יוצאי דופן לכלל זה הם טלסקופים שהמשטחים האופטיים שלהם אינם מדויקים ביחס לאורך הגל שבו הטלסקופ עובד. לדוגמא, אורך הגל של קרינת אקס הינו כאנגסטרם אחד, דומה למרחק האופייני בין אטומים. על כן, עבור טלסקופים ממקדים בתחום קרינת האקס הקרינה המגיעה "רואה" משטח מחוספס ולא מדויק ביחס לאורך הגל שלה. על כן, כושר ההפרדה של טלסקופים כאלו מוגבל ע"י האופטיקה של הטלסקופ ולא ע"י ההתאבכות.

היסטוריה

המכתב ששלח איזיק ניוטון לחברה המלכותית המתאר את תכנונו של הטלסקופ המחזיר אור - הטלסקופ הניוטוני (ראו להלן). המכתב מוצג בספריית הנטינגטון בפאסדינה. צילום: ערן אופק.
ה"לוויתן" - טלסקופ מחזיר אור במפתח של 48 אינצ' שנבנה ע"י וויליהם הרשל.
צילום של ה"לוויתן" לפני פירוקו. התמונה צולמה ע"י ג'ון הרשל (בנו של וויליהם הרשל ואסטרונום בזכות עצמו). זהו הצילום הראשון על גבי פלטת זכוכית.

הטלסקופ הראשון, לפחות בהיסטוריה המתועדת של המין האנושי, נבנה בשנת 1608 ע"י לוטשי עדשות הולנדים. זכות הראשונים, ככל הנראה, שייכת להנס ליפרסהי (Hans Lippershey), אך מספר לוטשי עדשות אחרים טענו אף הם לזכות זו, ביניהם זכריאס יאנסן (Zacharias Janssen) ויעקוב מטיוס (Jacob Metius). השימוש האסטרונומי הראשון המתועד של הטלסקופ נעשה רק שנה מאוחר יותר ע"י גלילאו גלילאי (Galileo Galilei), פיסיקאי איטלקי מאוניברסיטת פאדובה. בשנת 1609 הגיעה הידיעה אודות "המכשיר המופלא" המסוגל להגדיל את דמויותיהם של עצמים רחוקים לאיטליה ולגלילאו בפרט. תוך פרק זמן קצר (יולי 1609) הרכיב גלילאו בעצמו טלסקופ שובר אור, כיוון אותו לשמיים ותיעד את אשר ראה.

באמצעות הטלסקופים שבנה, רשם גלילאו מספר תגליות אסטרונומיות מרחיקות לכת, ביניהן גילוי המכתשים על הירח, גילוי ירחי צדק (איו, אירופה, גנימד וקליסטו), גילוי מחזור המופעים של נוגה, "אוזניים לשבתאי" (שלימים זוהו כטבעות) וחקר כתמי השמש. לתגליות אלו היו השפעות מרחיקות לכת על התפישה האנושית לגבי מיקומנו ביקום ואפשרו לדחוק את המודל הגיאוצנטרי של היקום ולהחליפו במודל ההליוצנטרי.

הטלסקופים הראשונים שבנו לוטשי העדשות ההולנדים וגלילאו היו טלסקופים שוברי אור (ראו להלן), העשויים משתי עדשות: עדשת עצם קמורה ועדשת עין (עינית) קעורה. תכנון אופטי זה, הקרוי טלסקופ גליליאני סיפק טלסקופים בעלי שדה ראייה צר שהיו לא נוחים לשימוש. שיפור משמעותי באיכות הטלסקופים הכניס האסטרונום יוהנס קפלר בשנת 1611. התכנון האופטי של קפלר הורכב מעדשת עצם קמורה ועדשת עין קמורה וקרוי טלסקופ קפלריאני. מאוחר יותר במחצית השנייה של המאה ה-17 שיכלל האסטרונום כריסטיאן הויגנס (Christiaan Huygens) את הטלסקופ ע"י בניית עיניות המורכבות ממספר עדשות.

יש לציין כי תופעת שבירת אור לא היתה מובנת במאה ה-17 וטלסקופים נבנו ו"תוכננו" בעיקר ע"י ניסוי וטעייה. באותה תקופה טלסקופים נמדדו באורכם משום שאורך המוקד של הטלסקופ הוא זה הקובע את הגדלתו. בניית טלסקופים ארוכים במיוחד שימשה שתי מטרות עיקריות, הגדלה חזקה והתגברות על אברציות (בעיקר אברציה כרומטית).

בשנת 1668 הציג אייזק ניוטון את הטלסקופ מחזיר האור הראשון (שנבנה על פי תיכנון של ניוטון). טלסקופ זה היה בנוי ממראה קעורה שהחזירה את האור לעבר מראה משנית בזווית של 45 מעלות (ביחס למראה הראשית) ומשם האור הגיע לעינית. לטלסקופים מחזירים היה הפוטנציאל להתגבר על האברציה הכרומטית (ראו: עדשה) אך טלסקופים אלו לא היו פופולרים משום שטכניקות ליטוש ה"מראות" עדין לא היו מפותחות. למעשה, באותם הימים מראות נבנו ע"י ליטוש מתכת והיה להם כושר החזר אור נמוך במיוחד. בניית מראות זכוכית וציפויו במתכות (כסף) נכנס לשימוש רק ב 1857 ע"י לאון פוקו (Leon Foucault).

בשנת 1672 הציג לורן קאסגריין (Laurent Cassegrain) תכנון לטלסקופ מחזיר אור שבו מראה משנית קמורה הממוקמת במקביל למראה הראשית ומחזירה את האור לעבר פתח קטן במראה הראשית.

במחצית השנייה של המאה ה-18 וויליהם הרשל שיכלל ופיתח את הטלסקופים מחזירי האור תוך כדי הבנה כי מפתח הטלסקופ הינו הפרמטר החשוב ביותר הקובע את איכותו. כמו כן, הטלסקופים שבנה היו בעלי איכות אופטית משובחת יחסית לטלסקופים אחרים שנבנו באותה התקופה. גולת הכותרת של מפעלו היה ה"לוויתן" (ראו צילום משמאל) - טלסקופ במפתח של 48 אינצ'. באמצעות הטלסקופים שבנה, הרשל גילה את כוכב הלכת אורנוס, אלפי ערפיליות וצבירי כוכבים. כמו כן הוא גילה מספר רב של כוכבים כפולים ועקב לראשונה אחרי מסלולם.

עם הזמן וההתקדמות הטכנולוגית הטלסקופים המשיכו לגדול. ב-1845 החל לפעול טלסקופ במפתח של 72 אינצ' שכונה "הלוויתן מפארסונסטאון". הטלסקופ היה מיזם פרטי של לורד רוס האירי, שגילה באמצעותו את זרועותיהן הספירליות של ערפיליות מסוימות שמאוחר יותר זוהו כגלקסיות מחוץ לשביל החלב. מיזמים נוספים של נדבנים דוגמת ג'ורג' אלרי הייל ומכונים כמו מכון קרנגי איפשרו את בנייתם של טלסקופ ירקס בשיקגו (40 אינצ', שובר האור הגדול בעולם) ב-1897; טלסקופ הייל (60 אינצ') על הר ווילסון שבפאתי לוס אנג'לס ב-1908; טלסקופ הוקר (100 אינצ') על הר ווילסון גם כן (1917); וטלסקופ הייל (200 אינצ') שעל הר פאלומר שבדרום קליפורניה (1949). טלסקופים אלו איפשרו לאמוד את גודלה של שביל החלב (הארלו שייפלי באמצעות ה-60 אינצ'), למדוד את המרחק אל גלקסיות רחוקות (אדווין האבל באמצעות ה-100 אינצ'), לזהות את התרחקותן של הגלקסיות זו מזו ואת התפשטות היקום (שוב, אדווין האבל באמצעות ה-100 אינצ'), ולהבין את תופעת הקוואזרים (מרטן שמידט באמצעות ה-200 אינצ'). כיום, צמד הטלסקופים הגדולים בעולם הם תאומי "קק", עם מראות בקוטר אפיקטיבי של עשרה מטרים. שני טלסקופים אלה ממוקמים על הר המאונה קאה שבהוואי בגובה של למעלה מארבעה ק"מ.

מושגים

להלן רשימה של מונחים הקשורים לטלסקופים ולאופן פעולתם.

עצמית

דוגמא לעצמית מורכבת. בלוק הזכוכית של המראה ראשית שלישונית של טלסקופ ה LSST.

עדשת העצם או עצמית או אוביקטיב (באנגלית: Objective) או במקרים מסוימים עדשה ראשית (באנגלית: Primary Lens) או מראה ראשית (באנגלית: Primary Mirror) הוא המישור האופטי הראשי שאוסף את האור המגיע לטלסקופ. קוטר העצמית הוא לרוב (אך לא תמיד) קוטר הטלסקופ. יוצא דופן הינו טלסקופ שמידט (ראו להלן) שבו קוטר המראה הראשית גדול ממפתח הטלסקופ, שנקבע ע"י קוטר העדשה המתקנת.

העצמיות של טלסקופים הצופים בתחום האור הנראה עשויות בד"כ מעדשות מרכזות או מראות בעלות חתך קעור (מראות מרכזות).

עדשות הן אלמנטים "נפיצתיים" (דיספרסיבים) השוברים את האור וזווית השבירה תלויה במקדם השבירה של החומר ובאורך הגל של הקרינה האלקטרומגנטית. על כן עדשות בודדות גורמות לסטייה כרומטית (ראו גם: עדשה) שעל מנת להתגבר עליה יש צורך בשילוב של מספר עדשות בעלות מקדמי שבירה שונים. לעומת זאת, מראות הינן אלמנטים המחזירים את האור ועל כן הן אינן סובלות מסטייה כרומטית.

טלסקופ שבו העצמית הינה, עדשה מכונה טלסקופ שובר אור (באנגלית: Refractor). טלסקופ שבו העצמית הינה מראה, מכונה טלסקופ מחזיר אור (באנגלית: Reflector). טלסקופ שבו לפני העצמית ממוקמת עדשה מתקנת או שהעצמית מורכבת מעדשה ומראה קרוי טלסקופ קאטאדאופטרי או טלסקופ מעורב (באנגלית: Catadioptric ‎Telescope).

עינית

ראו גם מאמר מורחב על עינית.

עינית או עדשת העין (באנגלית: Eyepiece או Ocular Lens) הינה עדשה או צירוף של מספר עדשות שניתן למקם בקרבת מישור המוקד של הטלסקופ (או מכשירים אופטיים אחרים). תפקידה של העינית היא להגדיל זוויתית את הדמות האופטית הנוצרת במישור המוקד של הטלסקופ.

לכל עינית יש אורך מוקד אפקטיבי. אורך המוקד של הטלסקופ מחולק באורך המוקד של העינית נותן את הגדלת הטלסקופ (ראו מאמר מורחב בנושא: הגדלה של טלסקופ).

קיימים סוגים רבים של עיניות. עיניות מודרניות מייצרות דמות חדה על גבי שדה ראייה רחב במיוחד והן בנויות מצירוף של מספר עדשות.

מישור המוקד

מישור המוקד (באנגלית: Focal Plane) הוא המשטח שעליו נוצרת הדמות האופטית. מישור המוקד איננו בהכרח מישורי וצורתו המדויקת תלויה בתכנון האופטי של הטלסקופ. כאשר מתבוננים בטלסקופ באמצעות העין ממקמים את העינית שדרכה מתבוננים בקרבת מישור המוקד (המרחק המדויק תלוי באורך המוקד של העינית) וכאשר צופים באמצעות ציוד הדמיה (למשל מצלמת CCD) ממקמים אותו בדיוק במישור המוקד.

למיקום מישור המוקד של הטלסקופ ביחס לרכיבים האופטיים נהוג לקרוא על פי סוג הטלסקופ המייצר אותם (ראו סוגי טלסקופים להלן) - לדוגמא: מישור המוקד של טלסקופ קודה נקרא מישור קודה וכו'. דוגמא פחות טריויאלית הינה מוקד ראשי (באנגלית: Prime Focus) - מוקד זה מצוי במקביל לעצמית ועל הציר הראשי של העצמית. לדוגמא בטלסקופ מחזיר אור, המוקד הראשי מצוי מעל המראה הראשית של הטלסקופ (למשל בקרבת המיקום שבו מצוייה המראה המשנית). במוקד הראשי נהוג למקם גלאים בעלי שדה ראייה רחב.

אורך המוקד

לרוב, טלסקופים עושים שימוש באלמנטים מחזירים או אלמנטים שוברים שמטרתם היא שינוי מסלול קרני האור ומיקוד כל קרני האור המגיעות אל הטלסקופ ממקור נקודתי, בנקודה אחת (עד כדי תופעת ההתאבכות - ראו: כושר הפרדה זוויתי של טלסקופ).

במקרים פשוטים בהם רק עצמית הטלסקופ משנה את מסלול קרני האור אזי אורך המוקד (באנגלית: Focal Length) מוגדר כמרחק בין העצמית למישור המוקד. הגדרה זו איננה נכונה במקרה הכללי מאחר והיא איננה לוקחת בחשבון את השינוי באורך המוקד של הטלסקופ שנגרם כתוצאה משימוש במשטחים אופטיים נוספים (למשל מראה משנית קמורה). במקרה הכללי אורך המוקד של הטלסקופ מוגדר כקוטר (מפתח) הטלסקופ מחולק בטנגנס הזווית המירבית (במישור המוקד) בין אוסף כל קרני האור המגיעות למישור המוקד ממקור נקודתי המצוי במרחק אין סופי. אם כן, אורך המוקד של הטלסקופ תלוי בכל הרכיבים האופטיים של הטלסקופ.

אורך המוקד קובע את סקאלת הפלטה של הטלסקופ וכן בעת שימוש בעינית הוא קובע גם את ההגדלה הזוויתית של הטלסקופ.

יש לציין כי קיימים סוגים מסוימים של "טלסקופים" שאינם ממקדים את הקרינה, לדוגמא טלסקופים בתחום קרינת הגאמא - ניתן לחשוב על טלסקופים כאלו כעל גלאים ערומים, אם כי לחלק מהגלאים הללו יש כושר הפרדה זוויתי. ל"טלסקופים" מסוג זה המושג אורך מוקד איננו רלוונטי.

יחס המוקד

יחס המוקד (באנגלית: Focal Ratio) הוא היחס בין אורך המוקד של הטלסקופ לקוטר הטלסקופ. צלמים לעיתים משתמשים במושג גודל הצמצם. יחס המוקד משפיע לעיתים על אברציות והאיכות האופטית של הטלסקופ. בעיקרון, קשה יותר לייצר טלסקופים איכותיים בעלי יחס מוקד קצר מאחר וסטיות בצורה של המשטחים האופטיים ביחס לצורתם האידאלית מוגברות כאשר יחס המוקד קצר.

בצילום יחס המוקד קובע את עומק החדות של התמונה - כאשר אורך המוקד קצר רק עצמים בטווח מרחקים מסויים יהיו בפוקוס. לעומת זאת, כאשר אנו רוצים שגם עצמים קרובים וגם עצמים רחוקים יהיו בפוקוס, יש לעשות שימוש ביחס מוקד ארוך מאד.

סקאלת הפלטה

ראו גם מאמר מורחב בנושא: סקאלת הפלטה.

עדשה או טלסקופ מייצרים דמות אופטית במישור המוקד. גודלה של הדמות האופטית של עצם כלשהו, הנוצרת על גבי מישור המוקד (הנמדדת למשל במילימטרים), קשורה לגודלו הזוויתי של העצם באמצעות גודל הקרוי סקאלת הפלטה (באנגלית: Plate Scale).

סקאלת הפלטה הינה היחס בין גודל זוויתי של עצם לבין גודלו על גבי מישור המוקד. יחס זה ניתן על ידי:

{\rm Plate~Scale}=\frac{1}{f}

כאשר f, הינו אורך המוקד של העדשה או אורך המוקד של הטלסקופ. לדוגמא, במידה ואורך המוקד נמדד במ"מ, אזי סקאלת הפלטה נמדדת ברדיאנים למ"מ. כלומר, כמה מ"מ על גבי מישור המוקד יתפוס עצם שגודלו הזוויתי רדיאן (רדיאן אחד שווה ל 57.295 מעלות בקירוב, או 180/π מעלות בדיוק). בקירוב של זוויות קטנות (וקירוב זה טוב כמעט לכל צורך מעשי), ניתן להמיר את פלטת הסקאלה למעלות למ"מ על ידי הכפלה ברדיאן, או לשניות קשת למ"מ על ידי הכפלה ברדיאן כפול 3600 (שהם כ 206,264.8).

על כן פלטת הסקאלה במ"מ לשניית קשת ניתנת ע"י (כאשר f נתון במ"מ):

{\rm Plate~scale}=\frac{206264.8}{f}~{\rm arcsec/mm}

הגדלה זוויתית

ראו מאמר מורחב בנושא: הגדלה של טלסקופ ועינית.

הגדלה זוויתית (באנגלית: Angular Magnification) הינה היחס בין גודלה הזוויתי של הדמות האופטית של עצם כלשהו כפי שהוא נראה מבעד לעינית המחוברת לטלסקופ לבין הגודל הזוויתי המקורי של העצם.

בדרך כלל ליכולת ההגדלה של טלסקופ אסטרונומי אין חשיבות גדולה (או בכלל) לגבי ביצועיו, אך הגדלות שונות מתאימות לצפייה בעצמים שונים (ראו גם: העין האנושית וראיית לילה).

טלסקופ אסטרונומי מגדיל רק כאשר יש בנוסף לעצמית גם עינית. במקרה זה ההגדלה ניתנת ע"י אורך המוקד של הטלסקופ מחולק באורך המוקד של העינית.

בהירות גבולית

ראו מאמרים מורחבים בנושא: בהירות גבולית ויחס אות לרעש.

בהירות גבולית (באנגלית: Limiting Magnitude) היא הבהירות של העצם החלש ביותר שטלסקופ המצויד בגלאי (לדוגמא: מצלמת CCD או העין) יכול להבחין בו. קוטר הטלסקופ הוא הגורם החשוב ביותר המשפיע על הבהירות הגבולית.

עבור עין אנושית המתבוננת דרך טלסקופ המצויד בעינית הבהירות הגבולית תלויה במפתח הטלסקופ ובמידה מסוימת גם בהגדלה. עבור טלסקופ המצויד בגלאי, הבהירות הגבולית תלויה בעיקר בקוטר הטלסקופ, וגם בתכונות הגלאי ובגודל אלמנט הרזולוציה של הגלאי ביחס לגודל הזוויתי של דמות של מקור אור נקודתי.

אברציות

ראו מאמר מורחב בנושא: אברציות.

אופטיקה של טלסקופים סובלת לעיתים מאברציות שגורמות ליצירת דמויות לא חדות במישור המוקד של הטלסקופ. אברציות יכולות להיגרם ממגון סיבות. בדרך כלל, על מנת לתכנן מערכת שהיא חפה מאברציות, יש להוסיף משטחים אופטיים שצורתם תוכננה היטב. המשטחים האופטיים הנוספים יכולים להיות או מראות או עדשות. אם כן, הסיבה להוספת אלמנטים שוברים בטלסקופים מעורבים היא הצורך בביטול או הנחתת אברציות מסוימות.

סוגי האברציות השכיחים הם: אברציה כרומטית, אברציה כדורית, קומה, אסטיגמטיזם, עיקום מישור המוקד, ועיוות גאומטרי.

דוגמא לקשר בין סוגי אברציות והחתך הגאומטרי של העצמית: בטלסקופ מעורב מסוג שמידט קאסגריין למראה הראשית יש חתך כדורי. חתך כדורי איננו מספק מישור מוקד יחיד מאחר וקרניים המגיעות במקביל (מאין סוף) לעבר משטח כדורי ומוחזרות ממנו לא מתרכזות במוקד יחיד. הצורה הגאומטרית שממנה קרניים המגיעות במקביל מוחזרות לעבר מוקד יחיד היא פרבולה. שימוש במראה בעלת חתך כדורי יגרום כאמור ליצירת דמות מרוחה והאברציה הנגרמת כתוצאה משימוש במשטח אופטי כדורי נקראת אברציה ספרית. מסתבר, כי גם לשימוש בחתך פרבולי יש חסרונות - לפרבולה יש ציר סימטריה (שמוגדר ע"י האנך לדיאטריקס העובר דרך מוקד הפרבולה), וקרני אור מקבילות המגיעות למשטח המחזיר לא במקביל לציר הסימטריה הנ"ל לא יתרכזו במוקד יחיד (אברציה זו קרויה אסטגמטיזם), על כן משטח אופטי פרבולי מספק דמות חדה רק בקרבת הציר האופטי של הטלסקופ (קרי שדה ראייה מתוקן צר). מאחר ולכדור אין ציר סימטריה מעודף אזי אם נתקן את האברציה הספרית נצליח לקבל תמונה חדה בשדה ראייה רחב. טלסקופ מסוג שמידט קאסגריין (ראו להלן) עושה שימוש במראה ראשית עם חתך כדורי ועדשה מתקנת בקדמת הטלסקופ שאחראית לתיקון האברציה הספרית. כך בעיקרון טלסקופ מסוג שמידט-קאסגריין מספק דמות חדה יחסית על פני שדה ראייה רחב.

דוגמא נוספת הינה האברציה הכרומטית: טלסקופ שובר אור עושה שימוש בעיקרון שבירת האור. מאחר ומקדם השבירה של עדשה תלוי באורך הגל של הקרינה אזי קרניים בצבעים שונים נשברות במידה שונה ובמקרה זה תתקבל במישור המוקד של הטלסקופ דמות שבה כל צבע נופל במיקום מעט שונה. התופעה הנ"ל ידועה בשם אברציה כרומטית.

סוגי טלסקופים

קיימים סוגים רבים של טלסקופים. הסוגים השונים נבדלים זה מזה בסידור העדשות ו\או המראות שלהם ובחתכים של המשטחים האופטיים. התמונה המתקבלת ע"י סוגים שונים של טלסקופים נבדלת זו מזו באיכותה. סוג הטלסקופ איננו תלוי בעינית שבה עושים שימוש והוא מתייחס רק לאופטיקה שמייצרת את הדמות במישור המוקד של הטלסקופ.

טלסקופ שובר אור

חתך של טלסקופ שובר אור וחלקיו העיקריים.

טלסקופ שובר אור (באנגלית: Refractor Telescope) הינו טלסקופ שבו העצמית היא עדשה או צירוף של מספר עדשות. בטלסקופ שובר אור אין מראות בעלות חתך לא מישורי. טלסקופ שובר אור עושה שימוש בעיקרון שבירת האור. מאחר ומקדם השבירה של עדשה תלוי באורך הגל של הקרינה אזי קרניים בצבעים שונים נשברות במידה שונה ובמקרה זה תתקבל במישור המוקד של הטלסקופ דמות שבה כל צבע נופל במיקום מעט שונה. התופעה הנ"ל נקראת אברציה כרומטית. על מנת להתגבר על האברציה הכרומטית נהוג לבנות טלסקופים שוברים באמצעות עדשות א-כרומטיות. עדשות כאלו מורכבות מצירוף של 2, 3 או 4 עדשות שלכל אחת מהן מקדם שבירה מעט שונה. הצירוף הנ"ל של מספר עדשות מספק אופטיקה כמעט נטולת אברציות כרומטיות.

הטלסקופ שובר האור הגדול ביותר הינו בעל עדשה ראשית במפתח של מטר אחד הנמצא במצפה ירקיס (Yerkes observatory) בשיקגו.

טלסקופ מחזיר אור

טלסקופ מחזיר אור (באנגלית: Reflector או Reflecting Telescope) הינו טלסקופ שבו העצמית (ולעיתים גם אלמנטים נוספים) היא מראה לא מישורית (לדוגמא: מראה בעלת חתך קעור). אור הפוגע במראות כאלו מוחזר בכיוון שונה מזה שבו הוא הגיע (האור שינה את כיוונו, כלומר אפקטיבית הוא "נשבר"). מאחר וזווית ההחזרה ממראה איננה תלויה באורך הגל של הקרינה אזי מראות הינן חפות מאברציות כרומטיות.

כמעט כל הטלסקופים הגדולים שנבנים כיום הינם טלסקופים מחזירי אור. קיימים סוגים רבים של טלסקופים מחזירי אור, שלרוב נבדלים זה מזה בצירוף של מראות (או עדשות) ובחתך המדויק של המראות. להלן רשימה חלקית של סוגים שונים של טלסקופים מחזירי אור:

טלסקופ ניוטוני

חתך דרך טלסקופ מחזיר אור מסוג ניוטוני וחלקיו העיקריים. ניתן לראות שהמראה המשנית מוחזקת ע"י מתקן הנקרא עכביש (Spider).

טלסקופ ניוטוני (באנגלית: Newotonian Telescope) - מורכב ממראה ראשית קעורה בד"כ בעלת חתך כדורי או פרבולי ומראה משנית שטוחה. כפי שנראה באיור משמאל, האור מגיע למראה הראשית, מוחזר למראה משנית שטוחה המצויה בזווית של 45 מעלות ביחס למראה הראשית. האור הפוגע במראה המשנית עושה את דרכו למישור המוקד של הטלסקופ המצוי בצידו של הטלסקופ.

החתך של המראה הראשית בטלסקופ ניוטוני הינו בד"כ פרבולי. בטלסקופי חובבים בעלי יחס מוקד גדול מ 10 נהוג לעשות שימוש במראה ראשית בעלת חתך כדורי. הסיבה לכך היא שביחס מוקד כזה, האיכות האופטית של הדמות המתקבלת על-ידי מראה בעלת חתך כדורי הינו מספק.

טלסקופ קאסגריין

טלסקופ קאסגריין (באנגלית: Cassegrain) - מורכב ממראה ראשית בעלת חתך קעור. האור המגיע למראה הראשית מוחזר לעברה של מראה משנית בעלת חתך קמור ומשם מוחזר לעבר חור הממוקם במרכז המראה הראשית. מישור המוקד של הטלסקופ בד"כ ממוקם לאחר הפתח במראה הראשית. קיימים וריאציות רבות של טלסקופים מסוג זה. בטלסקופ קאסגריין קלאסי המראה הראשית הינה בעלת חתך פרבולי והמראה המשנית הינה בעלת חתך היפרבולי. בפועל, ניתן לבנות וריאציות רבות שבהן למראה הראשית והמשנית יש חתכים שונים שעשויים לספק דמות חדה יותר.

טלסקופ גרגוריאני

טלסקופ גרגוריאני (באנגלית: Gregorian Telescope) דומה במבנהו לטלסקופ מסוג קאסגריין, רק שהמראה המשנית הינה קעורה עם חתך אליפטי. בטלסקופ מסוג זה הדמות המתקבלת במישור המוקד איננה הפוכה וזאת מאחר והמראה המשנית ממוקמת אחרי מישור המוקד של המראה הראשית.

התכנון הראשון לטלסקופ מסוג זה הופיע כבר ב 1632 ע"י בונבנטורה קוואליארי (Bonaventura Cavalieri). הטלסקופ קרוי ע"ש ג'ימס גרגורי (James Gregory ) שפירסם את התכנון האופטי הנ"ל ב 1663.

טלסקופ קודה

טלסקום קודה (באנגלית: Coude Telescope) - דומה לטלסקופ מסוג קאסגריין, אך לאחר המראה המשנית ממקמים מראה שלישית (שלישונית) מישורית הנטויה בזווית של 45 מעלות למראה הראשית ומסיטה את קרני האור לצד הטלסקופ.

טלסקופ נאסמיט'

טלסקופ נאסמיט (באנגלית: Nasmyth) - זהו שם נוסף לטלסקופ קודה כאשר הוא בנוי על גבי מעמד אופקי (ראו סוגי מעמדים בהמשך ומאמר מורחב בנושא: מעמדים של טלסקופים). במקרה זה מישור המוקד ממוקם על גבי הציר האנכי של הטלסקופ.

טלסקופ הרשליאני

טלסקופ הרשליאני (באנגלית: Herschelian Telescope) הינו טלסקופ שבו המראה הראשית מוטה מעט ביחס לציר האופטי שממנו מגיעות קרני האור, כך שמישור המוקד ממוקם באזור שאינו מסתיר (מטיל צל) על המראה הראשית. ויליהם הרשל עשה שימוש בתכנון אופטי זה על מנת להימנע משימוש במראה משנית. באותה תקופה מראות היו עשויות ממתכת בעלת כושר החזרת אור נמוך ועל כן היה צורך להימנע משימוש ביותר ממראה אחת.

קיימים תיכנונים אופטיים נוספים שבהם המראה הראשית מוטה כדוגמת: טלסקופ שיפספיגלר (באנגלית: Schiefspiegler) שעושה שימוש במראה משנית קמורה וטלסקופ יולו (באנגלית: Yolo Telescope) שעושה שימוש במראה ראשית קעורה.

טלסקופ ריצ'י-קרטיין

טלסקופ ריצ'י-קרטיין (באנגלית: Ritchey-Chrétien) מספק תמונה חדה במיוחד על פני שדה ראייה רחב ומשמש בעיקר בטלסקופים מקצועיים. בטלסקום מסוג זה מראה ראשית קעורה עם חתך היפרבולי ומראה משנית קמורה עם חתך היפרבולי. לעיתים נהוג להוסיף בקרבת מישור המוקד עדשות נוספות שתפקידן להשיג תמונה חדה אף יותר.


טלסקופ דאל-קירקאם

טלסקופ דאל-קירקאם (באנגלית: Dall-Kirkham) בתכנון אופטי זה נעשה שימוש במראה ראשית אליפטית ומראה משנית קמורה כדורית.

טלסקופ בייקר-נאן

טלסקופ בייקר-נאן (באנגלית: Baker-Nunn Telescope) כולל מראה ראשית ספרית ומראה משנית קמורה. טלסקופ מסוג זה מתגבר על האברציה הספרית שנגרמת כתוצאה מהמראה הראשית ע"י שרשרת עדשות הממוקמות בקרבת מישור המוקד של הטלסקופ.

מרסן-שמידט

טלסקופ מרסן-שמידט (באנגלית: Mersenne-Schmidt Telescope) בנוי משלושה מראות. המראה הראשית היא קעורה עם חתך פרבולי שממנה האור עובר למראה משנית קמורה עם חתך כדורי ולבסוף למראה שלישונית קעורה עם חתך כדורי.


תכנונים אופטיים מורכבים

מהלך קרני האור בתכנון האופטי של טלסקופ ה LSST.

קיימים תכנונים אופטיים רבים מורכבים יותר הכוללים 3 מראות ומספר עדשות. חלק מהטלסקופים הנ"ל בשל ריבוי המשטחים האופטיים שלהם מסוגלים לספק תמונות חדות במיוחד על פני שדה ראייה גדול מאד. לדוגמא הטלסקופ הסינופטי הגדול לסקירת השמיים (Large Synoptic Survey Telescope או בקיצור LSST) הנבנה בימים אלו, מבוסס על תכנון אופטי המבוסס על 3 מראות ו 2 עדשות. תכנון זה נחוץ על מנת לספק תמונה חדה שבה 80% מהאור המגיע ממקור נקודתי יתרכז בעיגול שקוטרו הזוויתי איננו עולה על 0.3 שניות קשת בכל מקום בשדה ראייה בקוטר 3 מעלות על פני כיפת השמיים. קוטרה של המראה הראשית של הטלסקופ הנ"ל הי 8.4 מטר (ראו איור משמאל).

תכנונים אופטיים מורכבים ניתן למצוא לעיתים גם בעדשות מצלמה עם יחס מוקד קצר מאד שמספקות שדה ראייה רחב מתוקן.

טלסקופ קאטאדיאופטרי

טלסקופ קאטאדיאופטרי (באנגלית: Catadioptric Telescope) הינו טלסקופ שבו רכיבי האופטיקה שנמצאים לפני מישור המוקד כוללים עדשות ומראות.

שמידט

טלסקופ שמידט (באנגלית: Schmidt Telescope) או מצלמת שמידט (באנגלית: Schmidt Camera) הינו טלסקופ שבו האור עובר דרך עדשה מתקנת דקה בעלת חתך לא כדורי ומשם מגיע למראה ראשית כדורית. המראה הראשית בד"כ גדולה מעט יותר מהמפתח של העדשה המתקנת. מהמראה הראשית עובר האור למישור המוקד שנמצא בין המראה הראשית לעדשה המתקנת. חיסרון בולט של מצלמת שמידט היא שמישור המוקד שלה איננו שטוח כי עם מעוקל מעט. טלסקופים מסוג זה הם בד"כ בעלי יחס מוקד קצר והאברציות הכדוריות והאסטגמטיזם שלהם אינם חזקים כמו בטלסקופ בעל אותו יחס מוקד שאינו מצויד בעדשה מתקנת.

הטלסקופ הנ"ל הומצא בשנת 1930 ע"י האסטרונום ברנרד שמידט. יתרונותיו הבולטים של טלסקופ מסוג זה הוא השימוש במראה עם חתך כדורי שהיא קלה ליצור. בנוסף, השימוש במראה כדורית מאפשר השגת שדה רחב יחסית (מאחר ולחתך כדורי אין ציר סימטריה מועדף).

וריאציה של טלסקופ מסוג שמידט שבה מישור המוקד הינו שטוח נקראת שמידט-ויאסאלה (באנגלית: Schmidt-Viasala). בטלסקופ מסוג זה ממקמים עדשה מרכזת מעט לפני הגלאי.

וריאציה נוספת קרויה מצלמת רייט (באנגלית: Wright camera) ובה העדשה המתקנת ממוקמת במישור המוקד והמראה הראשית איננה כדורית.

טלסקופ שמידט קאסגריין

טלסקופ מסוג שמידט-קאסגריין

טלסקופ שמידט קאסגריין (באנגלית: Schmidt-Cassegrain telescope) - בטלסקופ מסוג זה האור עובר ראשית דרך עדשה מתקנת דקה כמו זו המצויה בטלסקופ שמידט. לאחר מכן האור פוגע במראה ראשית קעורה בעלת חתך כדורי ומשם מוחזר למראה משנית קמורה המצויה בד"כ על גבי העדשה המתקנת. מהמראה המשנית האור מוחזר לעבר חור במראה הראשית ששם גם מצוי מישור המוקד של הטלסקופ (ראו איור משמאל).

בטלסקופ מעורב מסוג שמידט קאסגריין למראה הראשית יש חתך כדורי. חתך כדורי איננו מספק מישור מוקד יחיד מאחר וקרניים המגיעות במקביל (מאין סוף) לעבר משטח כדורי ומוחזרות ממנו לא מתרכזות במוקד יחיד. הצורה הגאומטרית שממנה קרניים המגיעות במקביל מוחזרות לעבר מוקד יחיד היא פרבולה. האברציה הנגרמת כתוצאה משימוש במשטח אופטי כדורי נקראת אברציה ספרית. אך מסתבר כי גם לשימוש בחתך פרבולי יש חסרונות - לפרבולה יש ציר סימטריה (שמוגדר ע"י האנך לדיאטריקס העובר דרך מוקד הפרבולה), וקרני אור מקבילות המגיעות למשטח המחזיר לא במקביל לציר הסימטריה הנ"ל לא יתרכזו במוקד יחיד, ועל כן משטח אופטי פרבולי מספק דמות חדה רק בקרבת הציר האופטי של הטלסקופ (קרי שדה ראייה מתוקן צר). מאחר ולכדור אין ציר סימטריה מעודף אזי אם נתקן את האברציה הספרית נצליח לקבל תמונה חדה בשדה ראייה רחב. טלסקופ מסוג שמידט קאסגריין עושה כאמור שימוש במראה ראשית עם חתך כדורי ועדשה מתקנת בקדמת הטלסקופ שאחראית לתיקון האברציה הספרית. באופן זה טלסקופ מסוג שמידט-קאסגריין מספק דמות חדה יחסית (אך לא חדה מאד) על פני שדה ראייה רחב.

שמידט-ניוטוני

טלסקופ שמידט-ניוטוני (באנגלית: Schmidt-Newtonian ‎Telescope) הינו דומה לשמידט קאסגריין, אך בדומה לטלסקופ ניוטוני האור מוחזר לצד הטלסקופ ע"י מראה מישורית הנטויה בזווית של 45 מעלות למראה הראשית.

טלסקופ בייקר-שמידט

טלסקופ בייקר שמידט (באנגלית: Baker-Schmidt Telescope) כולל מראה משנית קמורה והגלאי ממוקם בד"כ מעל המראה הראשית.

טלסקופ מוקסוטוב

טלסקופ מסוג מוקסוטוב

טלסקופ מוקסוטוב (באנגלית: Maksutov telescope) - בדומה לטלסקופ שמידט בנוי ממראה ראשית קעורה עם חתך כדורי ובקדמת הטלסקופ מותקנת עדשה מתקנת עבה, גם היא בעלת חתך כדורי שעליה מותקנת המראה המשנית בעלת חתך כדורי קמור (ראו איור משמאל). היתרון בתכנון זה שהוא מאפשר בניית טלסקופ בעל מראות ועדשות עם חתכים כדוריים שהם קלים יחסית לייצור.

טלסקופים מסוג מוקסוטוב הינם בעלי יחס מוקד ארוך יחסית ועל כן אינם מתאימים לתצפית עם שדה רחב.

טלסקופ קלוטסוב-קאסגריין

טלסקופ קלוטסוב-קאסגריין (באנגלית: Klevtsov-Cassegrain telescope) - בטלסקופ מסוג זה מראה ראשית קעורה כדורית ומראה משנית מנגנית (ראו להלן). בין המראה הראשית למשנית, בקרבת המראה המשנית ממוקמת עדשה מתקנת. כל המשטחים האופטיים בטלסקופ מסוג זה הינם בעלי חתך כדורי או כמעט כדורי כך שהם קלים יחסית ליצור.

מראת מנגין (באנגלית: Mangin Mirror) הינה מראה שהציפוי המחזיר שלה מצוי מאחורי עדשה וזאת בניגוד למראות שבהם נעשה שימוש בטלסקופים אסטרונומיים שבהם הציפוי המחזיר הינו על קדמת המשטח המחזיר כך שהאור איננו עובר דרך הזכוכית.

וריאציה של טלסקופ מסוג זה הינה טלסקופ ארגונוב קאסגריין (באנגלית: Argunov-Cassegrain telescope) שבו לפני המראה המשנית (שגם היא מראה מנגנית) יש שתי עדשות.

טלסקופים באורכי גל אחרים

טלסקופ מסוג וולטר העושה שימוש במראות המחזירות את האור בזוויות כהות. איור: מנהלת החלל והתעופה של ארה"ב.

טלסקופים עשויים לעבוד בכל אורך גל (ראו לדוגמא: רדיו טלסקופ), אם כי באורכי גל מסוימים התכנון האופטי שהוצג כאן בהקשר של טלסקופים העובדים בתחום האור הנראה איננו אפשרי (למשל בתחום קרינת האיקס). הסיבה לכך הינה כי לא תמיד ניתן ליצר אלמנטים אופטיים השוברים או מחזירים קרינה באורך גל מסוים.

לדוגמא, בתחום קרינת האיקס פוטונים ניתנים להחזרה רק בזוויות כהות מאד. על כן יש לעשות שימוש במראות המחזירות את קרני האיקס בזווית כהה (Grazing Incidence Mirrors). תכנון אופטי נפוץ הוא טלסקופ וולטר (באנגלית: Wolter telescope) המשמש בטלסקופי חלל (ראו איור משמאל).

באורכי גל קצרים יותר מהמרחק האופייני בין אטומים (כאנגסטרם אחד) קשה או לא ניתן לייצר אלמנטיים אופטים שוברים או מחזירים ועל כן, במקרים אלו, לא נעשה שימוש בטלסקופים ממקדים כי אם בטכניקות אחרות, כגון מסכת חרירים (Aperture Mask) או גלאים לא כיווניים.

טלסקופים לקרינה חלקיקית

המילה טלסקופ נמצאת בשימוש גם עבור גלאים לקרינה חלקיקית (שאינה קרינה אלקטרומגנטית). למשל טלסקופי ניוטרינו (ראו לדוגמא: מצפה הנויטרינו סודברי), טלסקופי קרניים קוסמיות וכו'. טלסקופים כאלו עובדים בד"כ על עקרונות שונים לחלוטין, אין להם אופטיקה ורוב המונחים הקשורים בטלסקופים לקרינה אלקטרומגנטית אינם רלוונטים עבורם.

מעמדים של טלסקופים

ראו מאמר מורחב בנושא: מעמדים של טלסקופים

מעמד של טלסקופ או מתקן קינון (באנגלית: Telescope Mount) הינו המתקן שבו נמצאים הצירים שעליהם הטלסקופ יכול לנוע ולהתכוון לכיוונים שונים. קיימים מספר סוגים עיקריים של מעמדים ווריאציות עליהם.

מעמדים של טלסקופים מתחלקים למעמדים אופקים ומעמדים משוונים:

מעמד אופקי

מעמד אופקי (באנגלית: Azimuthal Mount) - במעמד זה הטלסקופ מסוגל לנוע בכיוון האופקי ובכיוון הניצב לאופק (כיוון ההגבהה). על מנת לעקוב אחר עצם שמיימי באמצעות מעמד אופקי יש להניע את הטלסקופ בשני הצירים. נציין רק שמעמד אופקי הממוקם על אחד מצירי הסיבוב של כדור הארץ (הקוטב הדרומי או הקוטב הצפוני) הופך הלכה למעשה למעמד משווני.

התמונה המתקבלת בטלסקופ הממוקם על מעמד אופקי מסתובבת כאשר הטלסקופ עוקב אחר עצם הנע בשמיים כתוצאה מסיבוב כדור הארץ סביב צירו ושיעור סיבוב התמונה ניתן ע"י הזווית הפרלקטית.

מעמד משווני

מעמד משווני (באנגלית: Equatorial Mount) הוא מעמד שבו ניתן לעקוב אחר עצם הנע על פני כיפת השמיים כתוצאה מסיבוב כדור הארץ סביב צירו ע"י הנעת ציר אחד בלבד. ניתן להשיג זאת ע"י הטיית מתקן כינון אופקי כך שהניצב ל"משטח האופקי" שלו יצביע לכיוון ציר הסיבוב של כדור הארץ סביב צירו (ראו גם: כוכב הצפון).

קיימים סוגים רבים של מעמדים משוונים שהחשובים שבהם הם: מעמד גרמני, מעמד מזלג, מעמד יוק (או מעמד אנגלי), מעמד פרסה, מעמד ציר מנוגד, ושולחן משווני.

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


ערן אופק, אסף ברוולד