Chương 11
THỜI KÌ VÀNG SON CỦA KÍNH THIÊN VĂN KHÚC XẠ
“Kính thiên văn khúc xạ luôn luôn thích ứng tốt hơn so với kính thiên văn phản xạ đối với những công việc quan sát bình thường… chúng mang lại sự tiện lợi tốt hơn nhiều cho những mục đích đo đạc chính xác”.
Agnes M. Clerke, 1887
Thế kỉ 19 đã chứng kiến một cơ hội bùng nổ đối với kính thiên văn sử dụng thấu kính (kính thiên văn khúc xạ) là công cụ quan trọng nhất của các nhà thiên văn chuyên nghiệp. Khi kĩ thuật quang được cải tiến, kính thiên văn khúc xạ trở thành một công cụ vạm vỡ và chính xác. Nó thích ứng tốt cho hứng thú nghiên cứu của các nhà khoa học, những người chủ yếu tập trung vào việc đo chính xác vị trí và chuyển động tương đối của các sao. Các nhà thiên văn đã nghĩ ra những chiếc kính thiên văn lớn hơn bao giờ hết bắt được sự chú ý của các nhà hảo tâm Mĩ giàu có. Cuối thế kỉ 19, người Mĩ kiêu hãnh với hai chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới. Cũng thật quan trọng cho vũ trụ học là sự chấp nhận dần của các nhà thiên văn học về thiên văn học vật lí, ngành học hợp nhất lí thuyết vật lí với sự nghiên cứu các sao.
Đúc thủy tinh ở Đức vào đầu thế kỉ 20, như minh họa bởi Erich Kuithan
trong cuốn Die Glasindustrie in Jena (Jena, 1909).
Thủy tinh tốt hơn chế tạo ra kính thiên văn tốt hơn
Chiến thắng của kính thiên văn khúc xạ với tư cách là một công cụ nghiên cứu quan trọng phụ thuộc vào sự tiến bộ công nghệ. Các nhà chế tạo kính đã hoàn thiện công nghệ sản xuất thủy tinh quang chất lượng cao và các nhà quang học phải tính ra cách tránh sự nhòe màu sắc bởi thấu kính (hiện tượng sắc sai). Mãi cho đến đầu thế kỉ 20 thì việc sản xuất kính mới trở thành một nghề chứ không phải khoa học. Đặc biệt là thủy tinh quang phải có khiếm khuyết và còn dư màu sắc. Chẳng hạn, tạp chất sắt trong cát dùng chế tạo kính có thể nhuộm màu thủy tinh, còn những bọt li ti hay các khiếm khuyết khác có thể làm cho thủy tinh không thể dùng làm thấu kính được.
Một xưởng thủy tinh hồi thế kỉ 19.
Hiện tượng sắc sai. Thấu kính hai mặt lồi nhận các tia sáng trắng song song. C: tiêu điểm đối với tia màu xanh. D: tiêu điểm đối với tia màu vàng. E: tiêu điểm đối với tia màu đỏ.
Một tiến bộ chính khắc phục hiện tượng sắc sai vốn có ở thấu kính khúc xạ xuất hiện vào thập niên 1750. Nhà quang học người Anh, John Dolland, rút kinh nghiệm từ những nghiên cứu trước đó, đã chỉ ra cách loại trừ hầu như toàn bộ sự sắc sai. Thủ thuật là kết hợp một thấu kính lồi chế tạo từ thủy tinh pha chì (“flint”) với một thấu kính lồi khác có mật độ hơi thấp hơn. Màu sắc bị phân tán bởi thấu kính thứ nhất được bẻ trở lại với nhau bởi thấu kính thứ hai. Những thấu kính kiểu này được gọi là thấu kính tiêu sắc. Dolland đã nhận bằng sáng chế cho thiết kế của ông, nhưng chất lượng tệ hại của thủy tinh flint vào thời đó đã làm hạn chế công dụng của nó.
“Một trong những trở ngại lớn đối với việc xây dựng kính thiên văn tiêu sắc cỡ lớn là khó khăn trong việc tìm kiếm các đĩa thủy tinh flint lớn có mật độ đều, màu sắc tốt và không có vân”.
Thomas Dick, 1845
Vào đầu thế kỉ 19, sự tiến bộ trong việc sản xuất thủy tinh quang đã đưa đến những chiếc kính thiên văn khúc xạ tốt hơn. Từ năm 1784 đến 1790, Pierre Louis Guinand, một thợ thủ công người Thụy Sĩ, đã tự học được những kĩ năng cơ bản của việc chế tạo kính và bắt đầu thí nghiệm với thủy tinh quang. Những cố gắng đầu tiên của ông không được như ý. Mãi cho đến cuối thập niên 1790 Guinand mới có thể chế tạo những thấu kính chất lượng cao lớn cỡ 6 inch. Bước đột phá lớn của Guinand xuất hiện vào năm 1805, khi ông thay các thanh gỗ dài dùng để trộn thủy tinh nóng trong lò luyện bằng các que cời làm bằng đất sét. Que cời mới mang lại các bọt bất ngờ trên bề mặt và trộn thủy tinh đủ tốt để sản xuất một chất gần như hoàn mĩ.
Pierre Louis Guinand, năm 1800
Guinand bị cám dỗ tới Munich bởi một công ti quang của Đức, ỏ đó ông đã chia sẻ bí mật của ông với Joseph Fraunhofer, một nhà quang học tập sự. Fraunhofer, thành thạo cả toán học và thiết kế quang, là nhà khoa học đầu tiên xác định được các vạch tối biểu thị phổ ánh sáng phát ra từ các ngôi sao. Sau khi Guinand quay trở về Thụy Sĩ, Fraunhofer tiếp tục thí nghiệm với việc chế tạo kính và thiết kế thấu kính.
Nỗ lực của Fraunhofer đã đơm hoa kết trái ở vài chiếc kính thiên văn khúc xạ xuất sắc, xây dựng trước khi ông qua đời vào năm 1826 khi ở tuổi 39. Một trong số này là chiếc kính thiên văn 9,5 inch tại Đài quan sát Dorpat của Nga, lắp đặt vào năm 1824 bởi F.G. Wilhelm Struve. Nhà thiên văn học trứ danh người Nga đó phê bình rằng thoạt nhìn qua thiết bị, ông không thể xác định “cái gì là đáng khâm phục nhất, tính đúng đắn của việc xây dựng nó… hay công suất quang không gì sánh nổi, và độ chính xác mà các vật được xác định”. Struve và các nhà thiên văn khác đã sử dụng chiếc kính thiên văn này khảo sát hơn 120.000 ngôi sao.
Kính thiên văn khúc xạ lớn tại Dorpat
“Kính thiên văn lớn Dorpat” dài 14 foot được chú ý tới không những chỉ bởi chất lượng cao của các thấu kính của nó mà còn vì cách lắp đặt nó. Nó là ví dụ đầu tiên của cái sau này trở nên nổi tiếng là cách lắp kính xích đạo. Nó có một trục “địa cực” nằm thẳng hàng chính xác với trục quay của Trái Đất (nghĩa là trục nó, nói đại khái, hướng về phía sao Bắc Cực). Cùng với một trục “nghiêng”, vuông góc với trục địa cực, cấu trúc này cho phép kính thiên văn quay về bất cứ phía nào của bầu trời. Thuận lợi lớn của cách lắp đặt kính xích đạo của Fraunhofer là trục địa cực liên tục quay bằng một cơ chế đồng hồ. Nó được điều khiển ở tốc độ chính xác để trung hòa chuyển động biểu kiến hàng ngày của các sao ngang qua bầu trời. Như vậy, kính thiên văn lần theo các sao một cách tự động. Cách tân của Fraunhofer trở thành một phần của thiết kế chuẩn của kính thiên văn trong thế kỉ 19, cho phép các nhà thiên văn săm soi dễ dàng hơn vào bầu trời đêm. Cách lắp đặt xích đạo điều khiển bằng đồng hồ tỏ ra thiết yếu khi nhiếp ảnh được đưa vào thiên văn học trong nửa sau của thế kỉ 19, trong đó người ta có thể phơi sáng các tấm phim chụp trong thời gian dài.
Kĩ thuật chế tạo thủy tinh và thấu kính chất lượng cao lan rộng sang Pháp và Anh. Chính phủ Anh, chẳng hạn, đã nhìn thấy tiềm năng cho một nền công nghiệp sinh lợi, và yêu cầu các nhà khoa học áp dụng kĩ năng của họ cải thiện nền sản xuất kính quang học của đất nước. Trong khi đó, thành công của Fraunhofer trong việc chế tạo những thiết bị thiên văn giúp hình thành nên nền công nghiệp quang của người Đức dẫn đầu thế giới trong hơn nửa thế kỉ.
Nguồn: AIP
Còn tiếp...
