טלסקופ מחזיר אור

טלסקופ מחזיר אור (באנגלית: Reflecting telescope) הנקרא גם טלסקופ מראות, הוא טלסקופ אופטי שמשתמש במערכת של מראות על מנת ליצור דמות של עצם מרוחק. שימוש אסטרונומי בטלסקופ מחזיר אור החל רק בשנת 1668 כאשר אייזק ניוטון תכנן דגם המוכר כיום בתור טלסקופ ניוטוני. כיום, רוב הטלסקופים האופטיים הגדולים בעולם הם טלסקופים מחזירי אור.

היסטוריה

הרעיון שמראה קעורה מתנהגת כמו עדשה מוזכר עוד במאה ה-11 על ידי אבן אל-היית'ם (Alhazen). זמן קצר לאחר המצאת טלסקופ שובר אור (אחד משלושת הסוגים של טלסקופ אופטי), גלילאו, ג'ובאני פרנצ'סקו סגרדו, ואחרים, בעידוד הידע שלהם על העקרונות של מראות קמורות, דנו ברעיון של בניית טלסקופ תוך שימוש במראה. היו דיווחים כי בולונז סיזר קרוואצ'י (Bolognese Cesare Caravaggi) בנה טלסקופ מחזיר אור בסביבות 1626 והפרופסור האיטלקי ניקולו זוקי, בעבודה מאוחרת יותר שלו, כתב שהתנסה במראה קעורה בשנת 1616, אך לא הצליח לייצר מראה מדויקת דיה והטלסקופ סבל ממספר בעיות אופטיות. היתרונות הפוטנציאליים של שימוש במראות פרבוליות, הובילו לעיצובים מוצעים רבים לטלסקופים מחזירי אור. אחד הרעיונות הבולטים ביותר היה של ג'יימס גרגורי בשנת 1663 והוא אף הפך למה שנקרא היום טלסקופ גרגוריאני, אמנם שום מודל עובד לא נבנה עד שנת 1673, בה נבנה הדגם הראשון על ידי רוברט הוק.
אייזיק ניוטון בנה את הטלסקופ מחזיר האור הראשון ב-1668; טלסקופ זה מוכר כיום בתור טלסקופ ניוטוני.
למרות היתרונות התאורטיים של עיצוב הטלסקופ מחזיר האור, הקושי בבנייה והביצועים הירודים של מראות ממתכת ספקולום שהיו בשימוש באותם זמנים גרמו לטלסקופים מחזירי האור לא להיכנס לשימוש נרחב במשך יותר מ-100 שנים לאחר המצאתם. שיפורים רבים שנעשו בתכנון טלסקופי המראות לאורך השנים כללו ייצור מראות פרבוליות באופן מושלם במאה ה-18, שימוש במראות זכוכית המצופות בכסף במאה ה-19, ציפוי אלומיניום ארוך טווח במאה ה-20, שימוש במראות רבות כדי לאפשר קטרים גדולים יותר בטלסקופ (טלסקופ רב-מראות), ואופטיקה פעילה, שמגדילה באופן ניכר את יעילותם של טלסקופים אופטיים על ידי כוונון מתמיד של עקמומיות המשטח או המשטחים מחזירי האור.
חדשנות המאה ה-20 הייתה טלסקופ קטדיופטרי  כגון מצלמת השמידט , שמשתמשים בו גם במראה פרבולית וגם בעדשה כאלמנטים אופטיים עיקריים. במאה ה-20, רוב הטלסקופים הגדולים שנבנו היו מחזירי אור, ומגמה זו עדיין נמשכת.

שימושים טכנולוגיים ובמחקרים באסטרונומיה

היקום הוא עצום ומלא כוכבים וגלקסיות שנמצאים כל כך רחוק שניתן לחשוב שהם כלל לא מוארים, או שלא ניתן לראות אותם בכלל. הדרך הטובה ביותר להסתכל על הכוכבים המרוחקים היא לא על ידי הגדלת השמיים בעזרת טלסקופ שובר אור, אלא לאסוף אור ככל האפשר, על ידי טלסקופ מחזיר אור. המשתמשים בטלסקופ מראות הם בעיקר סוכנויות חלל כמו נאס"א ואחרות. כך לדוגמה, נדרשו יותר מ-10 שנים כדי להכין מראת טלסקופ בקוטר של 5 מטר בארצות הברית.

טלסקופ החלל "האבל"

טלסקופ החלל האבל קרוי על שמו של האסטרונום האמריקאי אדווין האבל. הוא טלסקופ מחזיר אור בעל מראה ראשית בקוטר של 2.4 מטרים. לשימוש בטלסקופ חלל, שנמצא מחוץ לאטמוספירת כדור הארץ, יש מספר יתרונות על פני טלסקופים המוצבים על הקרקע; חדות תמונה גבוהה, מניעת הפרעות ועיוותים שיוצרת האטמוספירה ויכולת צילום באור על סגול ותת אדום שאינה אפשרית בתצפית מהקרקע בשל סינונם על ידי האטמוספירה.
טלסקופ האבל הוא טלסקופ מחזיר אור מסוג ריצ'י-צ'רטיין. היתרון בשימוש במראות על פני שימוש בעדשות הוא במניעת עיוות צבע. לשימוש בטלסקופ
ריצ'י-צ'רטיין, שבנוי ממראה ראשית ומראה משנית היפרבוליות, יש יתרונות נוספים משום שתכנון זה מקטין למינימום את העיוות של עצם שלא נמצא על הציר הראשי ואת המריחה של עצם נקודתי. עקב הקושי להגיע לליטוש מדויק של המראות ההיפרבליות, משתמשים בטלסקופים מסוג ריצ'י-צ'רטיין
רק בפרויקטים גדולים, ועל מנת להגיע לדיוק גבוה בליטוש יש צורך להשתמש במכשירי מדידה יקרים למדי. הטלסקופ הוצב במסלולו ב-25 באפריל 1990 ומאז הפך לכלי מחקר מרכזי בתחומי האסטרונומיה והאסטרופיזיקה. הוא צפה ביותר מ-14,000 מטרות שטווח המרחקים שלהן נע מגופים במערכת השמש עד לגלקסיות הרחוקות ביותר שצולמו מאז ומעולם.

גרגוריאני

טלסקופ גרגוריאני מתואר על ידי האסטרונום והמתמטיקאי הסקוטי ג'יימס גרגורי בשנת 1663 בספרו Optica Promota. הטלסקופ מורכב ממראה קעורה משנית שמחזירה את הדמות דרך חור במראה הראשית. התוצאה המתקבלת היא דמות ישרה, דבר זה שימושי לתצפית יבשתית. ישנם מספר טלסקופים קטנים שעדיין מיוצרים בשיטה זו.

ניוטוני

טלסקופ ניוטון היה הטלסקופ המחזיר המוצלח הראשון, שהושלם על ידי אייזיק ניוטון בשנת 1668. בטלסקופ ניוטוני מותקנת מראה ראשית בעלת חתך של פרבולה, המרכזת את קרני האור לעבר מראה משנית שטוחה. המראה המשנית מוחזקת בזווית בת 45 מעלות לציר האופטי של המראה הראשית, וכך מחזירה את חרוט האור המתקבל מן המראה הראשית לצד הטלסקופ, בו ממוקמת עדשת העינית. זהו אחד התכנונים הפשוט ביותר והזול ביותר עבור מראה ראשית כזו, והוא מאוד פופולרי לבונים חובבנים של טלסקופים כפרויקט ביתי.

סוגי טלסקופים קסגריינים

הטלסקופ הקסגרייני הקלאסי פורסם לראשונה בשנת 1672 על ידי לורן קסגריין. הוא מורכב ממראה פרבולית ראשית, ומראה היפרבולית משנית שמחזירה את האור דרך חור במראה הראשית. הקיפול והפיזור של המראה השנייה יוצר טלסקופ עם אורך מוקד ארוך בזמן שהאורך הפיזי של הטלסקופ קצר יותר.
טלסקופ ריצ'י-צ'רטיין שהומצא על ידי ג'ורג' וויליס ריצ'י והנרי צ'רטיין בתחילת שנת 1910, הוא טלסקופ קסגרייני מיוחד המכיל שתי מראות היפרבוליות (במקום מראה פרבולית). הוא מתאים לתצפיות בשטח פתוח. כמעט כל טלסקופ מחזיר אור מקצועי בעולם הוא בעיצוב ריצ'י-צ'רטיין.
טלסקופ דאל-קירקהם הוא עיצוב של טלסקופ קסגרייני שהומצא על ידי הוריס גאל בשנת 1928. הוא משתמש במראה קעורה אליפטית כמראה ראשית
ומראה קמורה ספירית (כדורית) כמראה משנית.

עיצובים נוספים

בנוסף לטלסקופים אלו, ישנם עוד מספר טלסקופים שבהמצאתם יוחסה חשיבות לכך שבעיצובים אחרים המראה המשנית מסתירה חלק מהאור המגיע,
ולכן יוצרו בצורה כאת שאלמנטים בטלסקופ אינם יפריעו למעבר התקין של האור:
טלסקופ הרצ'ליאני הוא טלסקופ מראות על שמו של ויליאם הרצ'ל, ששימש אותו לבניית טלסקופים גדולים יחסית לתקופה. בעיצוב זה,
המראה הראשית מוטת הצידה כדי שראשו של הצופה לא יסתיר את האור הנכנס לטלסקופ. ויליאם השתמש בעיצוב הזה כדי להימנע משימוש במראה משנית
מכיוון שהחומר שהשתמשו בו למראות באותה תקופה התמלא במהירות יחסית בחלודה ולא היה יכול לשקף במידה מספקת.
טלסקופ שייפספיגלרי הוא טלסקופ שבו נמנעים משימוש במראה משנית בצורה שתטיל צל על המראה הראשית, ולכן מטים את המראה הראשית
ושמים בהמשך דרכם של הקרניים המוחזרות ממנה את המראה המשנית, אך הדבר גורם לשיבוש גדול יותר בתמונה.
בדומה לטלסקופ שייפספיגלרי, ישנו עיצוב בשם YOLO שגם משתמש במראה ראשית מוטת, אך אצלו למראה המשנית ולראשית יש את אותה הקמירות, ובעיצוב זה יש מעט פחות "מריחות" בתמונה, אך עדיין שיבושים רבים.

בניית טלסקופ מראות

לשם בניית טלסקופ מראות יש לחשב את "מרחק המוקד" של המראה הראשית - מראה קמורה ולא קטנה. ביום שמשי ניתן לשים פיסת נייר לבן ולהחזיק את המראה עד שהיא משקפת את אור השמש על הנייר. יש להתאים את המראה הראשית עד שאפשר לראות את אור השמש מרוכז בנקודה על הנייר. המרחק בין המראה והנייר בשלב זה הוא "מרחק המוקד". למראה מתאימים גליל קרטון בקוטר הדומה לזה של המראה הקעורה. אורך גליל הקרטון חייב להיות לפחות עד לאורך המוקד שנמדד. המראה הקעורה מותקנת באחד הקצוות של הגליל כאשר הצד הקעור פונה פנימה. על הגליל, במרחק של 10 סנטימטרים ממיקום המראה מציבים את העינית, שהיא גליל קרטון קטן יותר.
מתחת לחור העינית מתקינים פיסת עץ החוצה את הגליל הגדול משני צידיו. פיסת העץ תומכת במראה משנית - מראה קטנה ושטוחה המונחת בזווית של °45 מעלות מתחת לחור העינית, . כך שקרני האור מוסטות מהמראה הקעורה אל העינית. העינית מורכבת מגליל קטן שמוכנס לגליל הגדול ומאפשר הזזה קלה אחורה וקדימה על מנת לאפשר למקד את התמונה הסופית.