Κατοπτρικό τηλεσκόπιο

Κατοπτρικό τηλεσκόπιο ή ανακλαστικό τηλεσκόπιο ονομάζεται κάθε τηλεσκόπιο που σχηματίζει το είδωλο του αντικειμένου που παρατηρεί με τη βοήθεια ενός ή περισσότερων καμπύλων καμπύλων κατόπτρων, τα οποία ανακλούν το φως. Τα κατοπτρικά τηλεσκόπια αποτελούν τη μία από τις δύο μεγάλες κατηγορίες των οπτικών τηλεσκοπίων - η άλλη είναι τα διοπτρικά. Σήμερα όλα τα μεγάλα ερευνητικά οπτικά τηλεσκόπια είναι πλέον κατοπτρικά. Το κατοπτρικό τηλεσκόπιο εφευρέθηκε τον 17ο αιώνα από τον Νεύτωνα, καθώς τα διοπτρικά τηλεσκόπια της εποχής υπέφεραν από μεγάλο χρωματικό σφάλμα. Αν και τα κατοπτρικά πάσχουν από άλλα είδη οπτικών σφαλμάτων, επιτρέπουν τη φθηνότερη κατασκευή και την πρακτική στήριξη πολύ μεγάλων σε διάμετρο (δηλαδή σε φωτοσυλλεκτική ισχύ) τηλεσκοπίων. Υπάρχουν πολλά είδη (διαφορετικοί σχεδιασμοί) κατοπτρικών τηλεσκοπίων, που μπορούν να φέρουν επιπλέον οπτικά στοιχεία ώστε να βελτιώνουν την ποιότητα του ειδώλου τους.

 Η ιδέα ότι τα καμπύλα κάτοπτρα μπορεί να αντικαταστήσουν φακούς χρονολογείται όχι αργότερα από την πραγματεία οπτικής του Αλχαζέν (11ος αιώνας). Λίγο μετά την επινόηση του διοπτρικού τηλεσκοπίου ο Γαλιλαίος, ο Τζοβάννι Φραντσέσκο Σαγκρέντο και άλλοι, παρακινημένοι από τις γνώσεις τους των αρχών των καμπύλων κατόπτρων, συζήτησαν την ιδέα της κατασκευής ενός τηλεσκοπίου που θα σχημάτιζε το είδωλο με τη χρήση ενός κατόπτρου. Αναφέρεται ότι ο Τσεζάρε Caravaggi από τη Μπολόνια είχε κατασκευάσει ένα περί το 1626, ενώ ο Ιταλός καθηγητής Νικκολό Τσούκκι, σε μεταγενέστερο έργο, έγραψε ότι είχε πειραματισθεί με ένα κοίλο μπρούτζινο κάτοπτρο το 1616, αλλά δεν παρήγαγε ικανοποιητικό είδωλο. Τα δυνητικά πλεονεκτήματα της χρήσεως παραβολικών κατόπτρων, κυρίως η μείωση του σφαιρικού σφάλματος χωρίς να υπάρχει χρωματικό σφάλμα, οδήγησε σε πολλές προτάσεις σχεδίων κατοπτρικών τηλεσκοπίων, όπως αυτά των Μποναβεντούρα Καβαλιέρι, Μαρίν Μερσέν και Τζέιμς Γκρέγκορυ (1663) μεταξύ άλλων. Το 1673 ο Ρόμπερτ Χουκ κατόρθωσε να κατασκευάσει το σχέδιο του Γκρέγκορυ, που έγινε γνωστό ως «Gregorian telescope».Ο Ισαάκ Νεύτων πιστώνεται γενικά με την κατασκευή του πρώτου λειτουργικού κατοπτρικού τηλεσκοπίου, το 1668. Αυτό είχε ένα σφαιρικό μεταλλικό κύριο κάτοπτρο και ένα μικρό διαγώνιο, ακολουθώντας τον σχεδιασμό που έμεινε γνωστός ως νευτώνειο τηλεσκόπιο. Παρά τα θεωρητικά πλεονεκτήματα των κατοπτρικών τηλεσκόπίων, η δυσκολία της κατασκευής και η κακή ανάκλαση των μεταλλικών κατόπτρων (τα κυρτά κάτοπτρα δεν υπήρχε τρόπος να επικαλυφθούν όπως οι επίπεδοι καθρέφτες με ανακλαστική επίστρωση, π.χ. αργύρου) καθυστέρησαν την ευρεία χρήση τους για περισσότερο από έναν αιώνα. Πρόοδοι στην κατασκευή παραβολικών κατόπτρων σημειώθηκαν τον 18ο αιώνα, ενώ επαργυρωμένα γυάλινα κάτοπτρα εμφανίσθηκαν τον 19ο αιώνα και τα επαλουμινωμένα (μακροβιότερα) γυάλινα κάτοπτρα μόλις τον 20ό αιώνα. Τον 20ό αιώνα εμφανίσθηκαν επίσης κύρια κάτοπτρα αποτελούμενα από αρκετά εξαγωνικά τμήματα, που επέτρεπαν την επίτευξη μεγαλύτερων διαμέτρων, όπως και τα συστήματα ενεργών οπτικών, που αντιρροπούν τις παραμορφώσεις του κατόπτρου από το ίδιο το βάρος του. Μία άλλη καινοτομία των μέσων του 20ού αιώνα ήταν τα καταδιοπτρικά τηλεσκόπια, όπως τα τύπου Schmidt. Στα τέλη του 20ού αιώνα αναπτύχθηκαν τα optics για την υπέρβαση της ατμοσφαιρικής τύρβης, ενώ τα κατοπτρικά τηλεσκόπια κυριαρχούν στα διαστημικά ace telescopes και σε κάμερες πάνω σε διαστημόπλοια. Το βασικό οπτικό στοιχείο ενός κατοπτρικού τηλεσκοπίου είναι ένα κύριο κάτοπτρο, που συλλέγει το φως από τον στόχο και το συγκεντρώνει στο εστιακό του επίπεδο. Η απόσταση από το κάτοπτρο μέχρι το εστιακό επίπεδο ονομάζεται εστιακή απόσταση του κατόπτρου. Σε αυτή την κύρια εστία μπορεί να γίνει η καταγραφή του ειδώλου, ή να προστεθεί ένα δευτερεύον κάτοπτρο ώστε να ανακατευθύνει το φως σε πιο κατάλληλη θέση για την παρατήρηση με το μάτι (με προσοφθάλμιο σύστημα φακών) ή την καταγραφή με φωτογραφικό φιλμ ή ψηφιακούς αισθητήρες. Στα περισσότερα σύγχρονα τηλεσκόπια το κύριο κάτοπτρο αποτελείται από έναν συμπαγή γυάλινο κύλινδρο, του οποίου η εμπρόσθια επιφάνεια έχει λειανθεί με υψηλή ακρίβεια σε σφαιρικό ή παραβολοειδές σχήμα. Μία λεπτή επίστρωση αλουμινίου εναποτίθεται πάνω σε αυτή την επιφάνεια με ψεκασμό ατόμων του μετάλλου σε κενό αέρος. Τα κατοπτρικά τηλεσκόπια, όπως και κάθε άλλο οπτικό σύστημα, δεν δίνουν «τέλειες» εικόνες (είδωλα). Η ανάγκη των παρατηρήσεων των ουράνιων σωμάτων σε αρκετά διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός, καθώς και η απαίτηση της καταγραφής του ειδώλου, σημαίνουν ότι υπάρχει πάντοτε κάποιος συμβιβασμός στον οπτικό σχεδιασμό του τηλεσκοπίου. Επειδή το κύριο κάτοπτρο εστιάζει το φως μπροστά από τη δική του εμπρόσθια επιφάνεια, σχεδόν όλα τα κατοπτρικά τηλεσκόπια φέρουν ένα δευτερεύον κάτοπτρο ή καταγραφέα εικόνας εκεί που εμποδίζει μερικώς το φως από τον στόχο να φθάσει στο κύριο κάτοπτρο. Αυτό μειώνει όχι μόνο την ποσότητα του φωτός που συλλέγει το σύστημα, αλλά και την καθαρότητα ή «αντίθεση» («κοντράστ») της τελικής εικόνας, εξαιτίας φαινόμενων περιθλάσεως από το εμπόδιο.Με τη χρήση κατόπτρων αποφεύγεται το χρωματικό σφάλμα, αλλά προκαλούνται αλλοι τύποι οπτικών σφαλμάτων. Το απλό σφαιρικό κάτοπτρο δεν μπορεί να συγκεντρώσει το φως από ένα αντικείμενο σε μία κοινή εστία, αφού η ανάκλαση των ακτίνων του φωτός που προσπίπτουν κοντά στην περιφέρεια του κατόπτρου δεν συγκλίνει στο ίδιο μέρος με την ανάκλαση εκείνων που προσπίπτουν πιο κοντά στο κέντρο του κατόπτρου, κάτι που αποκαλείται σφάλμα σφαιρικής εκτροπής. To πρόβλημα αυτό αποφεύγεται με τη χρήση παραβολικών κατόπτρων, ενός σχήματος που μπορεί να εστιάσει όλο το φως σε μία εστία. Τα παραβολικά κάτοπτρα δίνουν καλό αποτέλεσμα κοντά στο κέντρο του ειδώλου, αλλά προς τα άκρα του οπτικού πεδίου υποφέρουν από σφάλματα απομακρύνσεως από τον οπτικό άξονα, όπως: Σφάλμα κόμης: Οι σημειακές πηγές (αστέρες) στο κέντρο του οπτικού πεδίου εστιάζονται σωστά σε ένα σημείο, αλλά εμφανίζονται με «ουρές» κοντά στα άκρα του πεδίου. Καμπύλωση πεδίου: Η καλύτερη επιφάνεια όπου αναπαρίσταται το είδωλο είναι γενικώς καμπύλη και όχι επίπεδο, κάτι που συνήθως δεν ανταποκρίνεται στο σχήμα του ανιχνευτή και προκαλεί σφάλμα εστιάσεως κατά μήκος του πεδίου. Διορθώνεται με λεπτό φακό που «επιπεδώνει» το πεδίο (βλ. καταδιοπτρικό τηλεσκόπιο). Αστιγματισμός: Μια αζιμουθιακή διακύμανση της εστίας περί το διάφραγμα προκαλεί κυκλικές πηγές προς την περιφέρεια του πεδίου να εμφανίζονται ελλειπτικές. Δεν αποτελεί συνήθως πρόβλημα σε μικρά οπτικά πεδία, αλλά σε μεγάλου εύρους πεδίου εικόνες χειροτερεύει γρήγορα. Παραμόρφωση ειδώλου: Δεν επηρεάζει την ποιότητα της εικόνας (καθαρά περιγράμματα), αλλά το σχήμα των αντικειμένων. Μερικές φορές μπορεί να διορθωθεί με επεξεργασία της εικόνας. Διοπτρικό τηλεσκόπιο