Diễn Đàn Vật Lý | Thư Viện Vật Lý

Vũ trụ, những vì sao, thiên thể ở nơi xa xôi có sự hấp dẫn kỳ lạ với con người. Nếu bạn là người đam mê khám phá thiên văn thì chắc hẳn bạn đã biết tác dụng chính của kính thiên văn trong việc hỗ trợ quan sát và nghiên cứu thiên văn là phóng đại thiên thể lên nhiều lần và tăng khả năng thu nhận ánh sáng từ các thiên thể. Nhưng để phát huy tối đa công dụng của kính thiên văn thì bạn cần hiểu rõ về nó thông qua các thông số kỹ thuật. Vậy những thông số kỹ thuật cơ bản của kính thiên văn là gì? Chúng ta cùng tìm hiểu ở bài viết này nhé!

1. Tên hãng sản xuất
Thông thường, khi mua một chiếc kính thiên văn thì điều đầu tiên mà các bạn quan tâm đó là hãng sản xuất. Điều này dễ hiểu thôi, vì trên thị trường có vô vàn loại kính thiên văn với các thương hiệu khác nhau và không phải thương hiệu nào cũng cũng sản xuất ra sản phẩm chất lượng. Tinh Vân xin giới thiệu tới các bạn một số thương hiệu kính thiên văn chất lượng, uy tín mà giá cả phải chăng trên thị trường hiện nay: Celestron, Meade, Bosma, Bresser, …

(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/02/polaris_130_front-left_no_tray_1-768x916.jpg)

2. Đường kính vật kính (Diameter) của kính thiên văn
Đường kính vật kính ký hiệu là D. Đơn vị thông thường là milimet. Vật kính ở đây có thể là gương hoặc thấu kính. Trong một số trường hợp, đường kính có thể biểu thị bằng đơn vị inch (chẳng hạn, 8″ hoặc 8 inch) với mỗi inch bằng 25,4 milimet. D càng lớn, tức độ mở càng lớn thì khả năng thu nhận ánh sáng của kính càng nhiều, khi đó độ phân giải của kính càng cao. Cần tránh hiểu nhầm thông tin này với tiêu cự kính thiên văn.

3. Khẩu độ (Aperture) của kính thiên văn
Khẩu độ của kính thiên văn được biểu thị dưới dạng chỉ số độ mở F (F-number) là tỉ số giữa tiêu cự f của vật kính với D.

Công thức: F = f / D
+ F = thông số cơ bản của kính thiên văn
+ D: đường kính vật kính
+ f: tiêu cự vật kính

Nếu F ≤ 6 , ta có “kính nhanh” (“fast” telescope), ngược lại, nếu f ≥ 8 ta có “kính chậm” (“slow” telescope), điều này có nghĩa là khi chụp ảnh thiên văn, để đạt được cùng độ sáng cho bức ảnh thì “kính nhanh” sẽ mất ít thời gian phơi sáng hơn so với “kính chậm”.
Ví dụ: Các trang web bán kính thiên văn thường kí hiệu các kính của mình dưới dạng D f/F chẳng hạn như 6” f/8, điều đó có nghĩa là kính thiên văn này có đường kính gương 6 inch, tiêu cự 6×8=48 inch.

4. Độ phóng đại (Magnification) của kính thiên văn
Độ phóng đại (M) của kính thiên văn được tính bởi công thức:
M = f / fe
+ M = thông số cơ bản của kính thiên văn
+ f : tiêu cự vật kính
+ fe : tiêu cự thị kính

Ví dụ: Một KTV 10” f/6 dùng kèm với thị kính 16mm. Vậy độ phóng đại của kính lúc này là bao nhiêu?
Giải: Tiêu cự vật kính f = 10×6 = 60 in = 1524 mm
—> Độ phóng đại M = fe/f = 1524/16 = 95x

Độ phóng đại của kính thực ra không phải là một thông số quan trọng lắm, vì việc thay đổi độ phóng đại được thực hiện rất đơn giản là chỉ cần thay đổi thị kính có tiêu cự khác nhau. Một thông số khác quan trọng hơn phụ thuộc vào độ mở ống kính, đó là khả năng phân giải của kính thiên văn.

5. Thiết kế quang học
Thiết kế quang học là thông tin chủ yếu được sử dụng để khẳng định chất lượng quang học của kính thiên văn. Tuy nhiên, đây là thông tin không bắt buộc và mang tính tương đối .

Achromatic (Tiêu sắc) là hệ thống thấu kính có khả năng hạn chế được sắc sai (Chromatic) và cầu sai (Spherical aberration). Achromatic thông thường chỉ hạn chế được sắc sai và cầu sai gây ra bởi các buớc sóng tập trung ở giữa dải phổ khả kiến như vàng, xanh lục. Càng tiến về 2 đầu dải phổ (đỏ và lam), quang sai càng nặng hơn và trở nên rất nghiêm trọng nếu như sử dụng ở dải cận hồng ngoại và tử ngoại gần. Đa phần các kính thiên văn 2 thành phần (doublet) được thiết kế để thoả mãn tiêu chuẩn Achromatic.

Apochromat (APO) và Superachromat là hệ thống thấu kính có khả năng hạn chế được sắc sai và cầu sai tốt hơn Achromatic. Hai hệ thống thấu kính Apochromat và Superachromat nếu được chế tạo tốt với dung sai nhiệt độ thấp có thể cho quang sai gần như không thể nhận ra được trên toàn bộ phổ khả kiến và các phổ lân cận.

6. Độ phân giải của kính (resolution)
Mọi hệ quang học trong thực tế đều không tuân theo một cách chính xác các định luật quang hình học cơ bản. Ngay cả các hệ quang được xem như là hoàn hảo cũng sẽ cho ảnh của một nguồn sáng điểm (một ngôi sao có thể được xem là một nguồn sáng điểm) là một đĩa nhiễu xạ (Airy disk), tức có kích thước để đo đạc được. Hiện tượng này gây ra do sự nhiễu xạ bởi ánh sáng cũng vốn mang bản chất sóng. Theo tiêu chuẩn Rayleigh, độ phân giải góc tới hạn được tính bằng:
(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/1.png)

trong đó λ là bước sóng ánh sáng.

Ví dụ: Với ánh sáng vàng có λ= 5.5*10-5cm (vốn nhạy nhất với mắt người), độ phân giải góc tính theo cung giây sẽ là:
(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/2.png)

Công thức trên áp dụng được cho cả KTV quang học lẫn KTV vô tuyến.

Như vậy, có thể thấy khả năng phân giải của KTV hoàn toàn phụ thuộc vào đường kính vật kính. D càng lớn, góc phân giải được càng nhỏ, tức khả năng phân giải của kính càng cao.

Ý nghĩa:
Độ phân giải của kính thể hiện vai trò rõ rệt nhất khi dùng kính để quan sát các sao đôi. Với các sao đôi mà hai sao ở quá gần nhau, nếu kính không đủ độ phân giải thì khi nhìn các sao này qua kính chúng cũng chỉ hiện lên như một sao duy nhất, cho dù ta có tăng độ phóng đại hết mức.

7. Kích thước vòng tròn thị kính h (Exit pupil)
Exit pupil là thuật ngữ để chỉ chùm sáng ra khỏi thị kính, kích thước của chùm sáng này phụ thuộc vào đường kính vật kính và độ phóng đại đang sử dụng:
h = D/M

Trong ví dụ trên, kích thước vòng tròn thị kính sẽ là h = 10/95 = 0.105 in = 2.67 mm.
(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/upic_03.gif)

Vòng tròn thị kính càng lớn thì ảnh nhận được sẽ càng sáng, nhưng độ phóng đại sử dụng càng hạ thấp, sẽ đến một điểm vòng tròn thị kính vượt quá đường kính của đồng tử mắt, khi đó ta chỉ còn nhìn thấy phần ánh sáng ở giữa. Lúc này ảnh quan sát được cũng giống như chúng ta che bớt phần ngoài của vật kính.

8. Độ phóng đại tối thiểu và tối đa của kính thiên văn
Độ phóng đại tối thiểu:
Như đã nói, kích thước vòng tròn thị kính nói chung không nên vượt quá kích cỡ đồng tử (con ngươi) mắt người trong điều kiện tối hoàn toàn (thường vào khoảng 7mm), nếu không sẽ có một phần ánh sáng từ KTV bị lãng phí vì không được mắt ta tiếp nhận hết. Bởi vì khi độ phóng đại của KTV càng giảm, kích thước vòng tròn thị kính càng tăng lên và một lúc nào đó nó sẽ vượt quá kích thước đồng tử, chính vì vậy mỗi KTV đều có một giới hạn dưới của độ phóng đại và được tính bằng:

m = 1.33D với D (cm)
m = 3.62D với D (in)

Độ phóng đại hữu dụng (độ phóng đại tối đa):
Đã có giới hạn dưới của độ phóng đại, vậy ắt hẳn cũng phải có giới hạn trên và đó chính là độ phóng đại hữu dụng của KTV. Theo lý thuyết, độ phóng đại của một KTV có thể tăng lên đến vô cùng, nhưng thực tế có nhiều yếu tố không cho phép thực hiện điều này, và một trong các yếu tố đó chính là khả năng phân giải của kính (đã đề cập ở trên). Để thõa mãn độ phân giải của ảnh (tức nhìn vào ảnh ta còn có thể phân biệt được các chi tiết trên đó) thì độ phóng đại của kính chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó mà khi vượt quá giới hạn này ta sẽ không còn nhận biết được các chi tiết trên ảnh.

Hai hình ảnh so sánh Sao Mộc vẫn còn nằm trong độ phân giải tốt và ngược lại

(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/jupiter_seeing_exc.jpg) (https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/jupiter_seeing_poor.jpg)


Có một quy tắc để tính độ phóng đại hữu dụng là lấy đường kính vật kính (tính theo in) nhân 50 hoặc lấy đường kính vật kính (tính theo mm) nhân 2, tuy nhiên, công thức trên chỉ đúng khi điều kiện quan sát là hoàn hảo.

Ví dụ: Với kính 10” đã cho ban đầu, độ phóng đại hữu dụng sẽ là 10*50 = 500x.
Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ngoại cảnh (về điều kiện quan sát) làm giá trị độ phóng đại hữu dụng không đạt tới con số đã tính toán

9. Trường nhìn (field of view)
– Trường nhìn biểu kiến của thị kính (Apparent field of view – AFV)
AFV là độ rộng của góc quan sát được khi nhìn qua thị kính (không cắm vào KTV), tính bằng độ. Mỗi loại thị kính sẽ có một trường nhìn biểu kiến khác nhau, từ nhỏ nhất như thị kính Huygen AFV chỉ có 25-35 độ cho đến siêu khủng như dòng thị kính cao cấp Ethos của Tele Vue có AFV lên đến 100 độ.

Trường nhìn biểu kiến của một số loại thị kính:
(https://tinhvan.net/wp-content/uploads/2020/04/fov.gif)

– Trường nhìn thực (True field of view – FOV)
Khác với AFV, FOV là trường nhìn khi đã lắp thị kính vào kính thiên văn. Nói một cách dễ hiểu thì trường nhìn thực chính là vùng trời mà bạn quan sát được qua KTV, cũng được tính bằng độ. Công thức tính như sau:
FOV= AFV / M (độ)
+ FOV: trường nhìn qua KTV (độ)
+ AFV: trường nhìn biểu kiến của thị kính (độ)
+ M: độ phóng đại
Tiếp tục lấy kính 10” f/6 và thị kính 16mm làm ví dụ, giả sử đây là thị kính Huygen có AFV 35 độ, khi đó FOV = 35/95 = 0,37(độ), lúc này nếu đem kính ngắm chị Hằng thì ta chỉ thấy được khoảng ¾ (vì mặt trăng có góc nhìn khoảng 0.5 độ)

10. Khoảng đặt mắt (Eye relief)
Khoảng đặt mắt là khoảng cách từ thị kính đến vị trí đặt mắt quan sát để trường nhìn thấy được là tối đa. Khoảng đặt mắt thường được lấy bằng tiêu cự thị kính (thực tế là nhỏ hơn một ít so với tiêu cự thị kính).

11. Cấp sao mờ nhất có thể thấy được qua kính thiên văn
mt = 6.8 + 5logD với D (cm)
mt = 8.8 + 5logD với D (in)

Ngoài các thông số kỹ thuật trên thì vẫn còn thông số mà các bạn cần phải quan tâm đó chính là kiểu kính thiên văn. Có một số kiểu kính thiên văn phổ biến nhất trên thị trường dân dụng là kiểu khúc xạ (Refractor), kiểu tổ hợp Catadioptric (phổ biến là thiết kế Schmidt, Maksutov và Dall–Kirkham), kiểu phản xạ (phổ biến là Newtonian và Ritchey–Chrétien)… Mỗi kiểu kính đều có ưu nhược điểm riêng và đánh vào nhiều nhu cầu với mức giá khác nhau. Chúng tôi sẽ đề cập đến vấn đề này trong bài viết khác. Mong rằng với bài viết này sẽ giúp bạn có thêm những kiến thức về kính thiên văn.

Trân trọng!