I.Các khái niệm cơ bản 1.Định nghĩa

Kính thiên văn là một dụng cuk quang học có tác dụng khuyếch đại cường độ ánh sáng và hình ảnh của thiên thể trên bầu trời. Cócậutạo cơ bản là một hệ thống quang học gồm một thấu kính hội tụ có tiêu cự dài gọi là vật kính. Và một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn gọi là thị kính. Hệ thấu kính này đặt đồng trục và khoảng cách giữa chúng có thể thay đổi được.

2.Các thông số cơ bản

Một kính thiên văn gồm một vật kính có tiêu cự F, thị kính có tiêu cự f (F>f)

-Độ bội giác G là khả năng phóng đại góc của kính thiên văn. các thiên thể là những đối tượng quan sát ở rất xa (coi như ở vô cực ∞). Trong trường hợp này:

G∞ =

Độ phóng đại k khi thiên thể ở vô cực k = G∞ =

-Độ mở tương đối R

R= D là đường kính rìa của vật kính, hay độ mở tự do

Tỷ số này còn được coilà một trong những thông số quan trọng của kinh thiên văn. Nó phản ánh khả năng thu thập ánh sáng hay quang lựccủa kính thiên văn.

Trong thiên văn chụp ảnh người ta đưa vào một tỷ số gọi là tỷ số tiêu cự =F/n. ở đây n= càng lớn thì n càng nhỏ nó phản ánh tốc độ chụp ảnh của kính. Cùng một giá trị F, D lớn hơn gọi là tốc độ nhanh hơn. Ngượclại D nhỏ hơn gọi là tốc độ chậm hơn.

-Độ phân giải là khả năng phân ly được hai điểm ảnh gần nhau nhất của đối tượng quan sát.

Độ phân giả ỏ của kính thiên văn phu thuộc vào đường kính D của vật kính và bước sóng ở quan sát.

ỏ =1,22 radian

Trong vùng phổ khả kiến lấy trung bình ở = 0,52ỡm

ỏ =

Như vậy D càng lớn thì ỏ càng nhỏ. Tức là kính càng phân biệt được hai điểm ảnh càng gần, hay ta gọi là kính có độ phân giải càng cao.

-Độ chói của ảnh phụ thuộc vào lượng ánh sáng của thiên thể qua vật kính. Tức là phụ thuộc vào diện tích S của vật kính S=ðD2. Như vậy độ chói tỷ lệ thuận với D2.

Do thông lượng ánh sáng của thiên thể quavật kính có đường kính D là không đổi. Độ sáng ảnh của thiên thể trên mặt phẳng tiêu cũng không đổi với một tiêu cự F nhất định.

Vì vậy, nếu dùng thị kính có độ phóng đại càng lớn (f nhỏ) thì ảnh sẽ càng lớn nhưng sẽ càng tối/ Hoặc nếu tăng tiêu cự F của vật kính thì hiện tượng cũng xảy ra tương tự.

Độ sáng E= k

R là bán kính rìa của vật kính

k là một hệ số

-Thị trường là khoảng cách góc vùng không gian quan sát đượcqua kính thiên văn. Thị trường phụ thuộc vào tiêu cự của vật kính và thị kính.

+Với thị kính có tiêu cự cố định thì vật kính có tiêu cự càng nhỏ thì thị trường càng lớn.

+Với vật kính có tiêu cự có định thì thị kính có tiêu cự càng lớn thị trường càng lớn.

Kết luận: Khi chế tạo kính thiên văn bao giờ người ta cũng cố gắng làm tăng tất cả các hệ số trên. Đặc biệt, hệ số nào cũng liên quan đến đường kính của vật kính. Đường kính của vạt kính càng lớn độ phân giải, quang lực, độ phóng đại càng lớn.

II.Phân loại kính thiên văn

Kính thiên văn được chia làm hai loại chính: Kính thiên văn khúc xạ và kính thiên văn phản xạ. Ngoài ra, các nhà thiên văn còn kêt hợp tính chất của cả hai loại kính trên thành kính thiên văn khúc phản xạ.

1.Kính thiên văn khúc xạ

Chiếc kính thiên văn khúc xạ hoàn chỉnh đầu tiên được tạo bởi Galileo Galile. Từ đó đến nay, kính thiên văn khúc xạ đã được cải tiến và hoàn thiện hơn rất nhiều với những thiết bị điện tử hiện đại và tinh vi.

Nhìn chung kính thiên văn khúc xạ có nguyên lý cấu tạo khá đơn giản. Vật kính của loại kính này là một thấu kính hội tụ ( ngày nay người ta sử dụng các hệ kính tiêu sắc). Hình ảnh của thiên thể được tạo bởi vật kính nằm trên mặt phẳng tiêu. Các nhà thiên văn sử dụng các thị kính phóng đại để quan sát hình ảnh đó trên mặt phẳng tiêu.

Kính khúc xạ có ưu điểm: dễ điều chỉnh các sai lệch trong điều khiển, ít nhạy với độ cong của vật kính, vật kính ử dụng được lâu dài. Bên cạnh đó còn tòn tại nhiều nhược điểm: Có sắc sai, độ mở nhỏ, hấo thụ các sóng ngắn như tia tử ngoại, khó chế tạo được vật kính lớn, kồng kềnh dẫn đến sai lệch.

Kính thiên văn khúc xạ đã thống trị suốt một giai đoạn dài trong lich sử khoa học. Nhưng do loại kính này còn tồn tại những hạn chế ơ bản cho nên đến năm 1671, Newton đã đề xuất ra một loại kính thiên văn mới. Kính thiên văn phản xạ.

2.Kính thiên văn phản xạ

Sự khác biệt duy nhất giữa kính thiên văn khúc xạvà kính thiên văn phản xạ là vật kính. Đối với kính thiên văn khúc xạ, vật kính là thấu kính, còn với kính thiên văn phản xạ, vật kính lại là một gương cầu lõm.

Nguyên lý làm việc của kính thiên văn phản xạ cũng giống như đói với kính thiên văn khúc xạ. Hình ảnh của thiên thể được tạo bởi vật kính là gương cầu lõm nằm trên mặt phẳng tiêu. Sau đó dùng thị kính để quan sát hình ảnh này.

Kính thiên văn phản xạ có ưu điểm: không có sắc sai, độ mở lớn, kích thước nhỏ hơn kính khúc xạ.

Laọi kính này có nhược điểm: hình ảnh thu được rát nhạy với những biến dạng của gương do tác động cơ học hoặc do sự giản nở nhiệt, sai số lớn hơn.

Để hạn chế các nhược điểm của kính phản xạ. Các nhà khoahọc đã cải tiến và kết hợp với một số ưu điểm của kính khúc xạ để cho ra đời các hệ kính thiên văn mới như: kính thiên văn Schmidt, kính thiên văn Cassegrain, kính thiên văn Maksutov, kính thiên văn Coude', kính thiên văn Schmidt-Cassegrain.

Những kính thiên văn thé hệ mới này ngoài vậtkính là gương cầu lõm còn kết hợp một thấukính có kết cấu phức tạp với các mặt cong khác nhau hoặc giống nhau để khử cầu sai. Đặc biệt kính Schmidt-Cassegrain có thể khắc phục được cả cầu sai và sắc sai. Kính thiên văn khoa VậtLý, ĐHSP Hà Nội là loại kính thuộc hệ kính Schmidt-Cassegrain.

III.Nguyên lý làm việc và cấu tạo của kính thiên văn hiện đại

1.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Đường đi của tia sáng qua thấu kính

a.Hiện tượng khúc xạ ánh sáng: Hiện tượng tia sáng truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết quang khác nhat bị gãy khúc độ ngọt tại mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường gọi làmhiện tượng khúc xạ ánh sáng.

n1

n2

Hai môi trường có chiết quang lần lượt là n1, n2. Chiết suất tỷ đối của môi trường 2 dối với môi trường 1 là n21:

n21 =

= n21

b.Lăng kính: Lăng kính là một môi trường trong suốt có chiết suất nhất định ( thuỷ tinh hữu cơ, thạch anh,...) hình trụ đứng với tiết diện thẳng là một hình tam giác.

-Đường đi của tia sáng qua lăng kính

-Lăng kính phản xạ toàn phần có thiết diện thẳng đứng là mọt tam giác vuông

Do tính chất của lăng kính phản xạ toàn phần, hầu hết các kính thiên văn ngày nay đều sử dụng nó để thay thế cho gương phẳng dùng trong các bộ phận đổi chiều hình ảnh.

c.Thấu kính và đường đi của tia sáng qua thấu kính

Thấu kính được coi là tập hợp vô số lăng kính nhơ ghép sát nhau theo một trật tự nhất định có nguyên tắc. Thấu kính được giới hạn bởi mặt cầu hoặc phẳng.

-Thấu kính hội tụ

-Thấu kính phân kỳ

2.Hiện tượng phản xạ. Đường đi của tia sáng qua gương cầu

a.Hiện tượng phản xạ: Hiện tượng tia sáng gặp bề mặt nhẵn đổi hường trở về môi trường cũ gọi là hiện tượng phản xạ.

i'

Gương phẳng là một bề mặt phản xạ

i= i' i: góc tới

i': góc phản xạ

b.Đường đi của tia sáng qua gương cầu

Gương cầu là tập hợp vô số các gương phẳng nho ghép sát với nhau theo một trật tự có quy tắc.

-Gương cầu lõm

-Gương cầu lồi

Công thức gương cầu: F = R: bán kính gương

Chú ý: Người ta còn chế tạo ra các loại gương cầu khác nhau phục vụ cho các mục đích khác nhau: gương parabol, gương elip... Đc biệt trong thiên văn, do hiện tượng cầu sai, các nhà thiên văn sử ụng các gương parabol để thay thế cho các gương cầu tròn trong một só trường hợp.

3.Hiện tượng tán sắc ánh sáng. Hệ kính tiêu sắc

a.Hiện tượng tán sắc ánh sáng: Hiện tượng ánh sáng có bước sóng khác nhau khi đi qua cùng một môi trường chiết quang sẽ bị lệch (khúc xạ) những góc khác nhau gọi là hiện tượng tán sắc ánh sáng.

Các bước sóng có bước sóng càng dài góc khúc xạ càng nhỏ. Như vậy, trong vùng phổ khả kiến , ánh sáng đỏ bị lệch ít nhất trong khi anhsangs tím có buớc cóng ngắn hơn bị lệch nhiều nhất.

ánh sáng trắng khi đi qua lăng kính bi phân tích thành các thành phần đơn sắc có bước sóng khác nhau. Lăngkính có tác dụng tán sắc ánh sáng.

b. Hệ kính tiêu sắc

Do hiệntượng tán sắc ánh sáng, hơn nữa coi thấu kính là một hệ thống gồm vô số các lăng kính nhỏ ghép sát nhau. Vì vậy, cho nên khi chiếu một chùm sáng trắng song song qua một tháu kính thi ánh sáng với các bước sóng khác nhau sẽ khônghội tụ tại cùng một điểm. Như vậy, hình ảnh thu được trên mặt phẳng tiêu sẽ không phải là một điểm sáng trắng mà là tạo thành một hình ảnh gồm có các vòng màu biến thiên từ đỏ đến tím. Hiện tượng này gọi là sắc sai.

Trong thiên văn, để có được một hình ảnh trung thực, rõ nét chúng ta phải hạn chế sắc sai trong hệ quang học được lắp đặt trong kính thiên văn. Một phương pháp hiệu quả là sử dụng các hệ kính tiêu sắc. Các hệ kính này bao gồm các thấu kính hội tụ và phân kỳ ghép sát với nhau. Các thấu kính này được chế tạo theo các thông số đã được tính chính xác,thích hợp để khử sắc sai. Với hệ kính iêu sắc, các ánh sáng có bước sóng khác nhau của một chùm sáng trắng song song sau khi đi qua hệ kính tiêu sắc sẽ hội tụ tại cùng một điểm trên mặt phẳng tiêu.

Tất cả các kính thiên văn ngày nay đều sử dụng hệ kính tiêu sắc làm vật kính hoặc thị kính. Chúng ta chỉ có thể hạn chế chứ không thể khử hoàn toàn sắc sai trong kính thiên văn.

3.Hiện tượng cầu sai và nhiễu xạ

a.Hiện tưọng cầu sai

Hiện tượng cầu sai là hiện tượng các tia sáng khi đi qua vậtkính là thấu kính hoặc dgương cầu. Tia sáng nào càng xa quang tâm (hay càng gần rìa) thì hội tụ càng gần vật kính hơn.

Để khắc phục hiện tuợng cầu sai, đối với kính thiên văn khúc xạ, người ta dùng các thấu kính có cấu tạo phức tạp với các mặt cong khác nhau. Đối với kính phản xạ thay vì dùng gương cầu tròn thì nguời ta thay thế bằng các gương parabol.

b.Hiện tượng nhiễu xạ

Do bản chất của ánh sáng có tính chất sóng. ánh sáng từ một nguồn điểm trên bầu trời sau khi đi qua kính thiên văn sẽ cho ta ảnh của nguồn điểm sáng đó. ảnh điểm này không phải là một điểm sáng mà là một hình tròn nhỏ có các màu xung quanh. đây không phải do tán sắcmà là do hiẹn tượng nhiễu xạ. Hiện tượng nhiễu xạ làm giảm khả năng phân giải của kính.Chúng ta rất khó khử được hiên tượng nhiễu xạ ngay cả đối với các kính thiên văn hiện đại. Để tăng độ phân giải chúng ta chỉ còn cách tăng đường kính của vật kính.

IV.Cấu tạo của kính thiên văn hiện đại

V.Hệ thống nâng đỡ và điều chỉnh ống kính. các phương pháp đặt kính thiên văn

1.Hệ thống nâng đỡ và điều chỉnh ống kính (giá kính)

Để quan sát và chụp ảnh thiên thể, chúng ta cần đặt kính tại một vị trí nhất định vừa để cố định kính, vừa để điều chỉnh kính bám sát thiên thể trong suốt quá trình quan sát. Để làm được việc này, các kính thiên văn cần có một hệ thống nâng đỡ và điều chỉnh kính, hay giá kính.

Hệ thống nâng đỡ và điều chỉnh kính là một bộ phận quan trọng của kính thiên văn. Nó có tác dụng cố định vị trí đặt kính, giữ kính cân bằng và điều chỉnh ống kính hướng chính xác vào thiên thể trong suốt quá trình nghiên cứu. Trong hệ thống nâng đỡ và điều chỉnh kính, kính thiên văn có thể quay quanh quanh hai trục đặt vuông góc với nhau.

Đối với các kính thiên văn hiện đại, hệ thống này còn có nhiều chức năng khác nữa được trang bị với hệ thống điện tử và máy tính tinhvi và phức tạp.

2.Các phương pháp đặt kính thiên văn

Có hai phương pháp đặt kính thiên văn: Đặt kính theo hệ toạ độ đường chan trời và đặt kính theo hệ toạ độ xích đạo trời.

Về cơ bản kính thien văn được quay theo hai trục vuông gócvới nhau.

a.Đặt kính theo hệ toạ độ đường chân trời

Một trục của kính thiên văn đặt nằm trong mặt phẳng đường chân trời tro hệ toạ độ đường chân trời. Trục kia sẽ đặt vuông góc với mặt phẳng đường chân trời theo đường dây rọi hướng lên thiên đỉnh.

b.Đặt kính thiênvăn theo hệ toạ độ xích đạo trời

Một trục của kính thiên văn đẳt trùng với trục cực nối thiên cực Bắc và thiên cực Nam của thiên cầu trong hệ toạ độ xích đạo trời. Trục kia đặt nằm trong mặt phẳng xích đạo trời.

Trong hai phương pháp đặt kính thiên văn thì trong phương pháp thứ hai, khi trục cực quay bằng với tốc độ quay của nhật động thì kính thiên văn luôn bám sát đối tượng quan sát theo thời gian.