กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์ คืออุปกรณ์ที่ใช้ขยายสิ่งต่างๆวัตถุท้องฟ้าโดยอาศัยหลักการรวมอันมากมายแสง เพื่อให้สามารถมองเห็นวัตถุท้องฟ้าที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเพราะมันไกลเกินไป หรือทำให้มองเห็นได้ชัดขึ้น และมีขนาดใหญ่ขึ้นตามขนาด กล้องโทรทรรศน์ได้ถูกคิดค้นขึ้นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1608 โดยฮานส์ ช่างทำแว่นคนหนึ่งซึ่งต่อมาค้นพบว่าหากนำเลนส์มาวางเรียงกับให้ได้ระยะที่ถูกต้องเลนส์สามารถขยายภาพที่อยู่ไกลๆได้ใกล้ขึ้น และ 1 ปีต่อมา กาลิเลโอ กาลิเลอิ ก็ได้ นำมาสำรวจท้องฟ้าเป็นครั้งแรกซึ่งในตอนนั้นเป็นกล้องหักเหแสงที่มีกำลังขยายไม่ถึง 30 เท่า เท่านั้นแต่ก็ทำให้เห็นรายละเอียดต่างๆมากมายของดวงดาวต่างๆที่ยังไม่เคยเห็นมาก่อนทำให้เป็นจุดเริ่มต้นของการเริ่มมาสำรวจท้องฟ้าโดยใช้กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์ชนิดหักเหแสงเป็นกล้องที่ถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรกโดยฮานส์ ช่างทำแว่นคนหนึ่ง ซึ่งต่อมาค้นพบว่าหากนำเลนส์มาวางเรียงกันให้ได้ระยะที่ถูกต้องเลนส์สามารถขยายภาพที่อยู่ไกลๆได้ใกล้ขึ้น และ 1 ปีต่อมา กาลิเลโอ กาลิเลอี ก็ได้ นำมาสำรวจท้องฟ้าเป็นครั้งแรกโดยตัวกล้องจะมีเลนส์ 2 ตัวขึ้นไปคือ เลนส์วัตถุ และเลนส์ตา โดยเลนส์วัตถุจะทำหน้าที่รับภาพจากวัตถุ แล้วหักเหแสงไปยังเลนส์ใกล้ตา ซึ่งเลนส์ใกล้ตาจะทำหน้าที่ขยายภาพจากเลนส์วัตถุอีกทีหนึ่ง โดยลักษณะการวางเลนส์จะใช้เลนส์วัตถุที่มี ความยาวโฟกัส ยาว และเลนส์ใกล้ตาที่มีความยาวโฟกัสสั้น โดยในการวางเลนส์ จะวางเลนส์วัตถุ (ความยาวโฟกัสยาว) ไว้ด้านหน้า และเลนส์ใกล้ตา (ความยาวโฟกัสสั้น) ไว้ด้านหลัง โดยระยะห่างของเลนส์ 2 ตัวนี้คือ ความยาวโฟกัสเลนส์วัตถุ + ความยาวโฟกัสเลนส์ตา เป็นต้น

สำหรับกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงของกาลิเลโอนั้น เลนส์วัตถุจะเป็นเลนส์นูน และเลนส์ตาจะเป็นจากเลนส์เว้า ซึ่งข้อดีของการใช้ระบบเลนส์แบบนี้คือภาพที่ได้จะเป็นภาพหัวตั้งโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์อื่นมาช่วย แต่ข้อเสียของการใช้เลนส์เว้าเป็นเลนส์ตาคือระบบกล้องจะมีมุมมองภาพที่แคบมาก ต่อมา โยฮันเนส เคปเลอร์ได้ใช้เลนส์นูนเป็นเลนส์ตาของกล้องโทรทรรศน์แทน ซึ่งทำให้ระบบกล้องโทรทรรศน์ให้ภาพกลับหัว และมีมุมมองภาพกว้างขึ้น ระบบเลนส์แบบนี้ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน

หากว่าเราใช้ปริซึมมาส่องกับแสงแดดจะพบว่า ปริซึมจะแตกแสงออก 7 สีด้วยกันเพราะปริซึมจะหักเหแสงเหล่านั้น และถ้าสังเกตให้ดีเข้าไปอีกจะเห็นว่าสีที่หักเหมานั้นแต่ละสีจะยาวออกมาจากแท่งแก้วปริซึมไม่เท่ากันและเราจะเรียกปรากฏการณ์เหล่านี้ว่าดัชนีความหักเหของสีไม่เท่ากันและถ้าหากมาใช้กับเลนส์เราจะเรียกว่าความคลาดสีหรือ ความคลาดรงค์ นั่นเอง

ความคลาดสีจะพบได้กับเลนส์ที่มีคุณภาพต่ำโดยเกิดจากการที่สีของแสงต่างมีดัชนีความหักเหของแสงไม่เท่ากันทำให้สีแต่ละสีไม่สามารถมารวมกันที่จุดรวมภาพจุดเดียวกันได้และทำให้เกิดรุ้งที่ขอบภาพ และในที่สุดภาพที่ได้มีแสงสีไม่ครบในภาพ และแสงที่หายไปจะเกินออกตรงขอบภาพ

ในอดีตได้มีการพยายามแก้ความคลาดสีด้วยการเพิ่มความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุขึ้นแต่จะทำให้กล้องยาวมากหลายสิบเมตรทำให้การที่จะขยายกล้องหันหาดาวที่ต้องการศึกษาเป็นไปด้วยความยุ่งยากและคุณภาพที่ได้ก็ไม่ดีเท่าที่ควร

ปัจจุบัน เราแก้ปัญหาความคลาดสีของกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงได้โดยการใช้เลนส์เว้า และเลนส์นูน ที่มีดัชนีหักเหแสงแตกต่างกันมาประกอบ เป็นเลนส์ 2 ชิ้นที่สามารถแก้ให้แสงสีเขียวและแดงมีจุดโฟกัสใกล้กันมากขึ้นได้ เรียกว่าเลนส์ Doublet Achromatic และมีการใช้เลนส์ถึง 3 ชิ้น (Triplet Apochromatic) หรือมากกว่าได้ และอาจมีการใช้ชิ้นเลนส์พิเศษเช่นเลนส์ ED (Extra-Low Dispersion) หรือเลนส์ Fluorite เพื่อให้ภาพที่มีความคลาดสีน้อยที่สุด แต่การใช้เลนส์จำนวนมาก หรือชิ้นเลนส์พิเศษเหล่านี้ ทำให้กล้องโทรทรรศน์มีราคาสูงขึ้นมากเช่นกัน

กล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสงสร้างได้สำเร็จครั้งแรกในปี ค.ศ. 1668 โดย ไอแซค นิวตันซึ่งในตอนนั้นถือเป็นเรื่องที่ใหม่มากสำหรับวงการดาราศาสตร์ในสมัยนั้น หลักการทำงานของกล้องสะท้อนแสงจะใช้กระจกเว้าสะท้อนแสงแทนที่จะใช้เลนส์ในการหักเหแสง โดยยังมีหลักการที่คล้ายคลึงอยู่บ้างคือ จะใช้กระจกเว้าที่มีความยาวโฟกัสยาว (เหมือนเลนส์วัตถุของกล้องหักเหแสง) สะท้อนแสงจากวัตถุเข้าที่กระจกรองซึ่งจะสะท้อนแสงของวัตถุเข้าที่เลนส์ตาและเข้าตาของผู้ใช้ในที่สุด โดยกล้องชนิดนี้มีข้อดีคือกล้องสามารถที่จะผลิตให้มีขนาดหน้ากล้องใหญ่มาก ๆ ได้ซึ่งจะทำให้สำรวจวัตถุที่จางบนท้องฟ้าได้ดีขึ้น และเมื่อเทียบกับกล้องหักเหแสงหากหน้ากล้องเท่ากันแล้วกล้องแบบสะท้อนแสงจะมีราคาถูกกว่ามาก แต่ทั้งนี้ก็มีราคาเริ่มต้นที่ไม่ถูกนักเหมือนกับกล้องหักเหแสง และกล้องชนิดนี้ยังสามารถใช้สำรวจช่วงคลื่นได้หลากหลายกว่ากล้องหักเหแสง เพราะช่วงคลื่นเหล่านั้นจะไม่ถูกดูดซับโดยแก้วของเลนส์อีกทั้งยังไม่พบปัญหาเรื่องความคลาดสีของกล้องหักเหแสงออกไปจนหมดเพราะกล้องใช้หลักการการสะท้อนจะไม่มีปัญหาเรื่องความคลาดสีเข้ามาเกี่ยวข้อง

แต่กล้องชนิดนี้มีข้อเสียคือตรงหน้ากล้องจะมีกระจกรองบังหน้ากล้องอยู่ (เพื่อสะท้อนแสงจากกระจกเว้าเข้าสู่เลนส์ตา) จึงทำให้แสงผ่านเข้าได้น้อยลงและทำให้ภาพมืดลงด้วยด้วยสาเหตุนี่กล้องชนิดสะท้อนแสงจะต้องมีขนาดหน้ากล้องใหญ่เพื่อชดเชยข้อเสียดังกล่าวและจะทำให้ราคาแพงขึ้นด้วยแต่ถึงอย่างไรก็ดีผู้ศึกษามักจะนิยมใช้กล้องสะท้อนแสงมากกว่ากล้องหักเหแสงเพราะมีราคาที่ถูกกว่าเมื่อหน้ากล้องเท่ากันและสามารถเลือกซื้อกล้องที่มีหน้ากล้องใหญ่ ๆ ได้

ในการใช้กล้องดูดาวอุปกรณ์ที่สำคัญไม่แพ้กันเลยคือขาตั้งกล้องซึ่งจะทำให้ที่ตั้งกล้องไว้และหันกล้องไปในทิศทางที่ถูกต้องและล็อกอยู่ที่วัตถุนั้นเพื่อให้ผู้ศึกษาสามารถที่จะศึกษาวัตถุนั้นได้อย่างง่ายดาย แต่ในการสำรวจท้องฟ้านั้นขาตั้งกล้องกล้องจะต้องมีความแม่นยำและเที่ยงตรง รวมทั้งมั่นคงเป็นพิเศษทั้งนี้เพราะการสำรวจดวงดาวนั้นมีมุมในการหันขาตั้งกล้องที่สั้นมากๆอีกทั้งหากกล้องมีกำลังขยายที่สูงเข้าไปอีกการสั่นเพียงเล็กน้อยของขาตั้งกล้องจะทำให้ภาพนั้นสั่นไหวมากและไม่สามารถที่จะสำรวจท้องฟ้าได้เลยยังไม่รวมถึงการที่ดาวจะเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆบนท้องฟ้าตามการหมุนของโลก ซึ่งหากสังเกตด้วยตาเปล่าก็จะไม่สามารถสังเกตเห็นได้แต่ในกำลังขยายสูงๆจะเห็นได้ว่าดาว กำลังเคลื่อนที่อยู่ซึ่งการเคลื่อนที่นี้จะทำให้ดาวหลุดออกนอกกล้องอย่างรวดเร็วและไม่สามารถสำรวจวัตถุนั้นได้จึงต้องใช้ขาตั้งกล้องที่มีความสามารถต่างๆเข้ามาทดแทนปัญหานี้ต่อไป

ฐานตั้งกล้องชนิดมุมเงย-มุมทิศ (Alt-azimuth Mount) ฐานตั้งกล้องชนิดนี้จะคุ้นเคยกันดีเพราะเป็นขาตั้งกล้องชนิดเดียวกับขาตั้งกล้องถ่ายภาพโดยทั่วไป ฐานตั้งกล้องชนิดนี้มีแกนหมุน 2 แกน คือแกนหมุนในแนวราบเพื่อปรับมุมทิศ และแกนหมุนในแนวดิ่งเพื่อปรับมุมเงย ข้อดีของขาตั้งชนิดนี้คือใช้งานง่ายและมีราคาถูก ส่วนข้อเสียสำคัญคือ ขาตั้งกล้องชนิดนี้ ต้องใช้การหมุนมอเตอร์ทั้ง 2 แกน เพื่อติดตามการเคลื่อนที่ขึ้นตกของวัตถุท้องฟ้า ทำให้ไม่สามารถติดตามวัตถุท้องฟ้าได้นิ่ง พอที่จะใช้ในงานถ่ายภาพทางดาราศาตร์ได้ และทำให้เกิดปัญหาการหมุนของภาพ (Field Rotation) เมื่อใช้ถ่ายภาพเป็นระยะเวลานานอีกด้วย

ฐานตั้งกล้องชนิดอิเควทอเรียล (Equatorial Mount) ฐานตั้งกล้องชนิดนี้ออกแบบมาสำหรับการใช้งานทางดาราศาสตร์โดยเฉพาะ ประกอบไปด้วยแกนหมุน 2 แกนที่มีแกนหนึ่งชี้ไปที่ขั้วฟ้าเหนือ (ใกล้กับดาวเหนือ) เรียกว่า Polar Axis และอีกแกนหนึ่งที่หมุนตั้งฉากกัน เรียกว่าแกนเดคลิเนชัน (Declination Axis) ฐานตั้งกล้องชนิดนี้มีการใช้งานอ้างอิงกับระบบพิกัดศูนย์สูตรฟ้า ซึ่งแกน Polar นั้น ทำหน้าที่เปลี่ยนพิกัด Right Ascension และ แกนเดคลิเนชั่นทำหน้าที่เปลี่ยนพิกัด Declination เพื่อเล็งไปที่วัตถุท้องฟ้าที่ต้องการ และเมื่อเวลาผ่านไป ดาวจะเคลื่อนที่รอบขั้วฟ้าเหนือ ทำให้เราสามารถติดตามดาวด้วยการหมุนแกน Polar เพียงแกนเดียวได้ ทำให้ฐานตั้งชนิดนี้สามารถติดตามวัตถุท้องฟ้าได้แม่นยำกว่า และเหมาะกับการใช้งานทางดาราศาสตร์มากกว่าแบบแรก ในการใช้งานจริง เราจะติดมอเตอร์เพื่อขับแกน Polar เพื่อให้กล้องตามดาวได้ตลอดเวลา

ฐานตั้งกล้องคอมพิวเตอร์ (Computerized Mount) เป็นฐานตั้งกล้องที่มีการฝังระบบคอมพิวเตอร์ลงไป ทำให้สามารถชี้ไปที่วัตถุท้องฟ้าที่กำหนดได้อัตโนมัติ โดยการระบุวัตถุที่ต้องการลงไปบนระบบควบคุม ซึ่งอาจเป็นรีโมต หรือโปรแกรมคอมพิวเตอร์ ฐานตั้งกล้องจะรับพิกัดของวัตถุนั้นจากฐานข้อมูล และหมุนกล้องไปที่วัตถุนั้น

กำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์จะเท่ากับ ความยาวโฟกัสเลนส์ใกล้วัตถุหรือกระจกเว้า / โฟกัสเลนส์ใกล้ตา
และความไวแสงเท่ากับ ความยาวโฟกัส / ขนาดหน้ากล้อง