Formarea unei imagini de către o lentilă sau o oglindă – Telescoape

Indiferent dacă purtați sau nu ochelari, vedeți lumea prin lentile; acestea sunt elemente cheie ale ochilor dumneavoastră. O lentilă este o bucată transparentă de material care curbează razele de lumină care trec prin ea. Dacă razele de lumină sunt paralele la intrare, lentila le reunește într-un singur loc pentru a forma o imagine (Figura 6.4). Dacă curburile suprafețelor lentilelor sunt corecte, toate razele paralele de lumină (de exemplu, de la o stea) sunt curbate sau refractate, astfel încât converg către un punct, numit focarul lentilei. În focar, apare o imagine a sursei de lumină. În cazul razelor de lumină paralele, distanța de la lentilă până la locația în care razele de lumină se focalizează, sau imaginea, în spatele lentilei se numește distanță focală a lentilei.

Figura 6.4 Formarea unei imagini de către o lentilă simplă. Razele paralele de la o sursă îndepărtată sunt curbate de lentila convexă, astfel încât toate se reunesc într-un singur loc (focalul) pentru a forma o imagine.

Privind Figura 6.4, vă puteți întreba de ce două raze de lumină de la aceeași stea ar fi paralele între ele. La urma urmei, dacă desenați o imagine a unei stele care strălucește în toate direcțiile, razele de lumină care vin de la stea nu par deloc paralele. Dar amintiți-vă că stelele (și alte obiecte astronomice) sunt toate extrem de departe. În momentul în care puținele raze de lumină îndreptate spre noi ajung efectiv pe Pământ, ele sunt, în toate scopurile practice, paralele între ele. Cu alte cuvinte, orice raze care nu erau paralele cu cele îndreptate spre Pământ se îndreaptă acum într-o direcție foarte diferită în univers.

Pentru a vizualiza imaginea formată de lentilă într-un telescop, folosim o lentilă suplimentară numită ocular. Ocularul focalizează imaginea la o distanță care este fie vizibilă direct de către un om, fie într-un loc convenabil pentru un detector. Folosind oculare diferite, putem schimba mărirea (sau dimensiunea) imaginii și, de asemenea, putem redirecționa lumina către o locație mai accesibilă. Stelele arată ca niște puncte luminoase, iar mărirea lor face o mică diferență, dar imaginea unei planete sau a unei galaxii, care are structură, poate adesea beneficia de mărire.

Mulți oameni, atunci când se gândesc la un telescop, își imaginează un tub lung cu o lentilă mare de sticlă la un capăt. Acest design, care folosește o lentilă ca element optic principal pentru a forma o imagine, așa cum am discutat, este cunoscut sub numele de refractor (Figura 6.5), iar un telescop bazat pe acest design se numește telescop refractor. Telescoapele lui Galileo erau refractoare, la fel ca și binoclurile și prismele de astăzi. Cu toate acestea, există o limită a dimensiunii unui telescop refractor. Cel mai mare construit vreodată a fost un refractor de 49 de inci construit pentru Expoziția de la Paris din 1900 și a fost demontat după Expoziție. În prezent, cel mai mare telescop refractor este refractorul de 40 de inci de la Observatorul Yerkes din Wisconsin.

Figura 6.5 Telescoape refractoare și reflectoare. Lumina intră într-un telescop refractor printr-o lentilă situată la capătul superior, care focalizează lumina în apropierea părții inferioare a telescopului. Un ocular mărește apoi imaginea astfel încât aceasta să poată fi vizualizată cu ochiul liber sau un detector, cum ar fi o placă fotografică, poate fi plasat în focar. Capătul superior al unui telescop reflector este deschis, iar lumina trece prin ea către oglinda situată în partea inferioară a telescopului. Oglinda focalizează apoi lumina la capătul superior, unde poate fi detectată. Alternativ, ca în această schiță, o a doua oglindă poate reflecta lumina într-o poziție în afara structurii telescopului, unde un observator poate avea acces mai ușor la ea. Telescoapele astronomilor profesioniști sunt mai complicate decât acestea, dar urmează aceleași principii de reflexie și refracție.

O problemă a unui telescop refractor este că lumina trebuie să treacă prin lentila unui refractor. Aceasta înseamnă că sticla trebuie să fie perfectă pe toată lungimea ei și s-a dovedit a fi foarte dificil să se realizeze bucăți mari de sticlă fără defecte și bule în ele. De asemenea, proprietățile optice ale materialelor transparente se modifică puțin în funcție de lungimile de undă (sau culorile) luminii, astfel încât există o distorsiune suplimentară, cunoscută sub numele de aberație cromatică. Fiecare lungime de undă se focalizează într-un punct ușor diferit, ceea ce face ca imaginea să apară neclară.

În plus, deoarece lumina trebuie să treacă prin lentilă, aceasta poate fi susținută doar în jurul marginilor sale (la fel ca ramele ochelarilor noștri). Forța gravitațională va face ca o lentilă mare să se lase și să distorsioneze traiectoria razelor de lumină pe măsură ce acestea trec prin ea. În cele din urmă, deoarece lumina trece prin ea, ambele părți ale lentilei trebuie fabricate exact la forma corectă pentru a produce o imagine clară.

Un alt tip de telescop folosește o oglindă primară concavă ca element optic principal. Oglinda este curbată ca suprafața interioară a unei sfere și reflectă lumina pentru a forma o imagine (Figura 6.5). Oglinzile telescopului sunt acoperite cu un metal strălucitor, de obicei argint, aluminiu sau, ocazional, aur, pentru a le face foarte reflectorizante. Dacă oglinda are forma corectă, toate razele paralele sunt reflectate înapoi în același punct, focarul oglinzii. Astfel, imaginile sunt produse de o oglindă exact așa cum sunt produse de o lentilă.

Telescoapele proiectate cu oglinzi evită problemele telescoapelor refractoare. Deoarece lumina este reflectată doar de suprafața frontală, defectele și bulele din sticlă nu afectează traiectoria luminii. Într-un telescop proiectat cu oglinzi, doar suprafața frontală trebuie fabricată la o formă precisă, iar oglinda poate fi susținută din spate. Din aceste motive, majoritatea telescoapelor astronomice de astăzi (atât amatori, cât și profesionale) folosesc o oglindă în loc de o lentilă pentru a forma o imagine; acest tip de telescop se numește telescop reflector. Primul telescop reflector de succes a fost construit de Isaac Newton în 1668.

Într-un telescop reflector, oglinda concavă este plasată în partea de jos a unui tub sau a unui cadru deschis. Oglinda reflectă lumina înapoi în susul tubului pentru a forma o imagine în apropierea capătului frontal, într-o locație numită focar principal. Imaginea poate fi observată la focarul principal sau oglinzi suplimentare pot intercepta lumina și o pot redirecționa către o poziție în care observatorul o poate vedea mai ușor (Figura 6.6). Întrucât un astronom aflat în focarul principal poate bloca o mare parte din lumina care ajunge la oglinda principală, utilizarea unei oglinzi secundare mici permite trecerea unei cantități mai mari de lumină prin sistem.

Figura 6.6 Aranjamentele focalizării pentru telescoapele reflectoare. Telescoapele reflectoare au diferite opțiuni pentru locul în care lumina este adusă în focar. În cazul focalizării principale, lumina este detectată acolo unde ajunge în focar după ce se reflectă din oglinda primară. În cazul focalizării newtoniene, lumina este reflectată de o mică oglindă secundară, situată într-o parte, unde poate fi detectată (vezi și Figura 6.5). Majoritatea telescoapelor profesionale mari au un focar Cassegrain în care lumina este reflectată de oglinda secundară printr-o gaură din oglinda primară către o stație de observare de sub telescop.

Sursa: Astronomy 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2025 MultiMedia Publishing