Wielkie teleskopy przeszłości

Astronomowie, zarówno zawodowi i amatorzy, którzy żyli 200 lat temu, nie mieli takich możliwości zakupu teleskopu, którymi cieszymy się dzisiaj. O wiele łatwiej było zdobyć niewielkie lunety niż poważne instrumenty astronomiczne. Tylko nieliczne firmy, które wówczas istniały, prawie wyłącznie zlokalizowane w Europie, budowały dobre (i odpowiednio drogie) teleskopy. Większość sprzedawanych instrumentów to refraktory, ponieważ w tamtych czasach producenci soczewek wytwarzali lepsze produkty niż producenci luster.

Teleskop jest bardziej odkryciem rzemieślników optycznych niż naukowców. Soczewka i właściwości załamywania i odbijania światła były znane od starożytności, a teoria ich działania została opracowana przez starożytnych filozofów greckich, zachowana i rozwinięta w średniowiecznym świecie islamskim i osiągnęła zaawansowany stan do czasu wynalezienia teleskopu we wczesnej, nowożytnej Europie. Jednak najważniejszym krokiem wymienionym w wynalezieniu teleskopu był rozwój produkcji soczewek do okularów, najpierw w Wenecji i Florencji, a później w Holandii i w Niemczech. To właśnie w Holandii w 1608 roku pojawiły się pierwsze dokumenty opisujące załamujący teleskop optyczny w formie patentu złożonego przez producenta okularów Hansa Lippersheya, a kilka tygodni później oświadczenia Jacoba Metiusa i trzeciego nieznanego wnioskodawcy, jakoby również wiedział o tej „sztuce”.

Wieść o wynalazku rozeszła się szybko i Galileusz, słysząc o urządzeniu, w ciągu roku stworzył własne ulepszone projekty i jako pierwszy opublikował wyniki obserwacji astronomicznych wykonanych z pomocą teleskopu. Teleskop Galileusza wykorzystywał wypukłą soczewkę obiektywu i wklęsłą soczewkę okularu. Projekt do tej pory określamy teleskopem Galileusza. Johannes Kepler zaproponował ulepszenie, w którym wykorzystano okular wypukły, często nazywany Teleskopem Keplera.

Kolejnym dużym krokiem w rozwoju refraktorów było pojawienie się soczewki achromatycznej w połowie XVIII wieku, która korygowała aberrację chromatyczną – pozwalając na znacznie krótsze instrumenty z dużo większymi obiektywami.

Achro i Apo

4-calowy refraktor Johna Dollonda

Najsłynniejszym angielskim optykiem tamtych czasów (oprócz Herschela, ale o tym później) był niewątpliwie John Dollond. Określił on konkretne typy i kombinacje szkła, które dzięki swoim właściwościom optycznym miały poprawić obrazy otrzymywane za pomocą teleskopów soczewkowych. Szybko odkrycie to opatentował i tak powstał „achromatyczny” refraktor, w którym Dollond połączył soczewki ze szkła kronowego i krzemowego, co zmniejszyło kolorowe prążki aberracji chromatycznej, widoczne we wcześniejszych instrumentach.

Firma Dollonda rozpoczęła komercyjną produkcję achromatów w 1758 roku. Pięć lat później, jego syn, Peter, który przejął stery firmy po śmierci ojca, udoskonalił konstrukcję optyczną, dodając trzeci element do obiektywu. Firma w innowacyjny sposób wprowadziła na rynek „potrójny achromat”, ale w rzeczywistości był to pierwszy obiektyw apochromatyczny. Taka optyka sprawia, że ​​kolorowe obwódki stały się praktycznie niewykrywalne.

Zgodnie z warunkami patentu Dollonda, tylko jego firma mogła komercyjnie produkować achromatyczne refraktory. Wraz z wygaśnięciem patentu w 1772 roku, na scenę wkroczyły inne firmy, produkujące achromatyczne refraktory w bardziej rozsądnych cenach.

Ameryka w natarciu

Po drugiej stronie Atlantyku, Henry Fitz stał się jednym z pierwszych amerykańskich producentów teleskopów komercyjnych. W 1845 roku skonstruował wysokiej jakości 6-calowy refraktor. Za pieniądze, które zarobił, organizując publiczne pokazy gwiazd, założył firmę produkującą teleskopy. Firma Fitza sprzedawała refraktory od 1848 roku do koncówki lat 60-tych XIX wieku, nawet kilka po jego śmierci w 1863 roku. Astronomowie uznali te instrumenty za jedne z najlepszych dostępnych. Soczewki wypadły bardzo korzystnie w porównaniu z tymi, które były wtedy produkowane w Europie, co ma sens, ponieważ Fitz właśnie na starym kontynencie nauczył się swoich technik.

Od 1840 do 1855 roku Fitz wyprodukował 80 procent wszystkich teleskopów astronomicznych sprzedawanych wówczas w Stanach Zjednoczonych. Jego mniejsze refraktory (te z soczewkami o średnicy 4 cali lub mniejszej) charakteryzowały się pięknymi drewnianymi tubusami i są dziś uważane za wysoce pożądane i kolekcjonerskie. Jednak Fitz stworzył także kilka dużych refraktorów – w sumie 30 sztuk z soczewkami o średnicy od 6 do 16 cali. Niektóre z jego bardziej znanych obejmują 8-calowy dla South Carolina College w 1851 roku; 9,75-calowy dla West Point w 1856 roku i 13-calowy dla Stowarzyszenia Allegheny Telescope w Pittsburghu w 1861 roku.

Ten ostatni posiada ciekawą historię. W 1872 roku ktoś ukradł obiektyw z teleskopu, który był wówczas głównym instrumentem w Obserwatorium Allegheny. Następnie złodziej poinformował placówkę, że soczewka jest przetrzymywana dla okupu. Samuel Pierpont Langley, pierwszy dyrektor placówki, nie zdołał wynegocjować zwrotu.

Po kilku miesiącach obiektyw pojawił się w hotelowym koszu na śmieci w Beaver Falls w Pensylwanii, mocno zarysowany. Langley zwrócił się do firmy Alvan Clark & ​​Sons o przerobienie soczewki, ponieważ Fitz zmarł jakieś dziewięć lat wcześniej. Przerobiony obiektyw zapewniał obrazy o wyższej jakości niż oryginał Fitza, więc nieprzyjemna historia paradoksalnie doprowadziła do powstania lepszego teleskopu.

Artyści optyki

W 1846 roku, kilka lat po tym, jak Fitz założył swoją firmę, Alvan Clark założył Alvan Clark & ​​Sons w Cambridgeport w stanie Massachusetts. Jak sugeruje nazwa firmy, do przedsięwzięcia dołączyli jego dwaj synowie, George Bassett Clark i Alvan Graham Clark. Rodzina Clarków niewątpliwie zalicza się do najbardziej znanych amerykańskich producentów teleskopów. Często określani jako „artyści optyki”, wyprodukowali wysokiej jakości refraktory w różnych rozmiarach, pożądanych zarówno przez profesjonalistów, jak i amatorów.

24-calowy Teleskop Clarka w Lowell Observatory

Nie tylko ich optyka była doskonała, ale montaż i konstrukcja tuby optycznej były znakomite, demonstrując jeden z najlepszych kunsztów tamtej epoki (wystarczy spojrzeć na zdjęcie). Clarkowie byli wielokrotnie wzywani do budowy większych teleskopów. Firma pięciokrotnie konstruowała największy refraktor na świecie. Punktem kulminacyjnym było zaprojektowanie i zbudowanie wciąż największego refraktora na świecie: 40-calowego w Yerkes Observatory w Williams Bay w stanie Wisconsin.

Refraktory Clarka z tamtej epoki wiążą się z wieloma ciekawymi historiami i odkryciami z nimi związanymi. Asaph Hall, astronom z Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, użył 26-calowego refraktora Clarka do odkrycia dwóch księżyców Marsa w sierpniu 1877 roku. Ponieważ Mars był zbyt jasny, Hall trzymał Czerwoną Planetę tuż poza polem widzenia, co pozwoliło najpierw dostrzec zewnętrzny księżyc (Deimos), a następnie wewnętrzny księżyc (Fobos).

Inna opowieść dotyczy bogatego mieszkańca Bostonu – Percivala Lowella, którego zainteresowanie astronomią, a zwłaszcza Marsem, doprowadziło do Flagstaff w Arizonie, gdzie w 1894 roku zbudował obserwatorium. 24-calowy refraktor Clarka, wciąż używany do obserwacji publicznych, był głównym instrumentem, którego Lowell i jego pracownicy używali do badania Marsa, skupiając się na legendarnych „kanałach”.

Jak już zostało wspomniane, ukoronowaniem osiągnięć Alvan Clark & ​​Sons jest 40-calowy refraktor w Yerkes Observatory. Yerkes zostało założone w 1897 roku przez astronoma George’a Ellery Hale’a i sfinansowane przez przedsiębiorcę Charlesa Yerkesa. Hale na początku swoich poszukiwań coraz większych teleskopów założył Yerkes jako część University of Chicago. Astronomowie prowadzili tam przez lata znaczące badania, a do dziś obserwatorium znane jest z zarówno formalnej edukacji, jak i popularyzacji astronomii.

Przełom wieków, wiek przełomów

Z przełomem XIX i XX wieku na scenie zaczęli pojawiać się inni producenci teleskopów, w szczególności John Brashear. Chociaż astronomią zainteresował się jako dziecko patrząc przez teleskop na Księżyc i Saturna, Brashear rozpoczął swoją karierę jako znakomity mechanik. Nie było go stać na zakup teleskopu, więc stworzył własny, rozpoczynając tym samym drogę do założenia firmy John A. Brashear Company.

20-calowy refraktor „Rachel” stworzony przez Warner & Swasey z optyką Johna Brasheara.

Od około 1880 roku wujek John (jak go nazywano), stał się wybitny w produkcji nie tylko teleskopów, ale także innych instrumentów. Jego eksperymenty doprowadziły również do opracowania nowej metody powlekania srebra na szkle, techniki dominującej aż do wprowadzenia procesu powlekania próżniowego w 1932 roku.

Wśród innych lunet Brasheara trzeba wyróżnić 30-calowy refraktor „Thaw” w Obserwatorium Allegheny, który został ukończony około 1914 roku i jest nadal w użyciu. Z kolei 20-calowy refraktor Brashear na montażu Warner & Swasey, pierwotnie zainstalowany w 1914 roku, jest głównym urządzeniem Chabot Space & Science Center w Oakland w Kalifornii, a teleskop „Rachel” został odnowiony w 2000 roku i przeniesiony w lepsze miejsce.

W tej epoce w Europie pojawiły się inne wielkie refraktory i każdy z nich przyczynił się do poprawy technologii wytwarzania sprzętu optycznego. Obejmowały one 28-calowy refraktor Grubba należący do Royal Greenwich Observatory, który zaczął działać w 1893 roku; refraktory 32,7-calowe i 24,4-calowe w Obserwatorium Paryskim (1891); oraz 31,5-calowe i 19,7-calowe refraktory w Obserwatorium Astrofizycznym w Poczdamie, Niemcy (1899).

Lustereczko powiedz przecie…

W erze wielkich refraktorów projektanci i inżynierowie również czynili powolne, ale stałe postępy w technikach budowy dużych teleskopów zwierciadlanych. Głównym problemem były zwierciadła główne, które wykonywane były z mieszanki miedzi i cyny o fatalnym współczynniku odbicia światła wynoszącym około 68 procent. Już w 1668 roku Izaak Newton zbudował swój pierwszy teleskop zwierciadlany właśnie na bazie lustra z cyny i miedzi jako najbardziej odpowiedniego znanego mu materiału. Lustra takie jednak oprócz przeciętnych właściwości optycznych, wymagały również ponownego polerowania i odnawiania co kilka miesięcy, ponieważ matowiały w kontakcie z powietrzem, co dodatkowo zmniejszało współczynnik odbicia.

Lustro teleskopu Parsonsa eksponowane w Science Museum w Londynie.

Być może dwoma najbardziej znanych wielkich teleskopów zwierciadlanych, były te autorstwa Sir Williama Herschela i Williama Parsonsa. „40-stopowy teleskop” Herschela, 49,5-calowy reflektor, ujrzał pierwsze światło w 1787 roku. Prawdziwy gigant tamtych czasów pozwolił Herschelowi dokonać wielu wcześniej niemożliwych obserwacji. Zapisy pokazują, że był trudny w użyciu, a pogoda rzadko pozwalała na skuteczne obserwacje. Ostatni raz ujrzał światło w 1815 roku.

„Lewiatan z Parsonstown” w Irlandii to ówczesny gigant z 72-calowym teleskopem zwierciadlanym wykonanym przez Williama Parsonsa, trzeciego hrabiego Rosse. Pierwsze światło ujrzało w 1845 roku i był największym teleskopem na świecie, aż do otwarcia w 1917 roku na Mount Wilson 100-calowego Teleskopu Hookera. W latach 70. XIX wieku John Dreyer używał teleskopu, przy opracowywaniu New General Catalog (katalog NGC). Demontoważ Lewiatana rozpoczął się w 1908 roku, a 6 lat później przeniesiono jedno z dwóch głównych luster Parsonsa do Muzeum Nauki w Londynie, gdzie można podziwiać go do dziś.

Postęp w materiale używanym do produkcji zwierciadeł w reflektorach, skłonił Hale’a (który widział produkcję 40-calowego teleskopu Yerkesa aż do jego ukończenia), aby ponownie wysunąć się na prowadzenie w konstrukcji dużych teleskopów. Saint-Gobain, francuska firma zajmująca się obróbką szkła, odlała 60-calowy półfabrykat lustra, który zamówił William Hale, ojciec George’a. Po zapewnieniu funduszy z Carnegie Institution, w 1904 roku rozpoczęto na poważnie budowę nowego teleskopu.
Hale wybrał Mount Wilson, szczyt o wysokości 1740 metrów n.p.m., w górach San Gabriel, na północny wschód od Los Angeles. Miejsce to pozostaje do dziś wysokiej jakości miejscówką obserwacyjną ze względu na specyficzny i stały przepływ powietrza. 60-calowy gigant z pokrytą srebrem powierzchnią, ujrzał pierwsze światło w 1908 roku i do dziś (już z aluminiową powłoką na lustrze) jest używany.

200-calowy Teleskop Hale’a (Mount Palomar)

Jednak Hale już wtedy myślał o jeszcze większym teleskopie. Przekonał Johna Hookera, by zapłacił za lustro, a Andrew Carnegie, by sfinansował obserwatorium i konstrukcję teleskopu. Ponownie wybrano firmę Saint-Gobain, tym razem do wykonania 100-calowego półfabrykatu lustra, co okazało się niełatwym zadaniem. 100-calowy teleskop został oddany do użytku pod koniec 1917 roku i stał się przyczynkiem wielu poważnych odkryć, takich jak rozpoznanie „mgławicy w Andromedzie” jako galaktyki przez Edwina Hubble’a w 1923 roku, oraz późniejszych odkryć Hubble’a wraz z Miltonem Humasonem z 1929 roku, dotyczących rozszerzania się Wszechświata i pomiarów tempa tej ekspansji. Podobnie jak poprzedni teleskop Hale’a, teleskop Hookera do dnia dzisiejszego jest przeznaczony do użytku publicznego.

Ambicje Hale’a sięgały jednak jeszcze dalej i ponownie pokierował wysiłkiem zbudowania kolejnego bijącego rekordy teleskopu, już czwartego w swojej karierze. Hale napisał artykuł do magazynu Harper’s Magazine w kwietniu 1928 roku, zatytułowany „Możliwości dużych teleskopów”. Był to początek 200-calowego reflektora na górze Palomar w hrabstwie San Diego w Kalifornii. Za pośrednictwem Kalifornijskiego Instytutu Technologii i dzięki finansowaniu z Fundacji Rockefellera w 1928 roku, rozpoczęto prace nad lustrem, teleskopem i obserwatorium. Półfabrykat pyrexowego lustra o niskiej rozszerzalności, wykonany przez Corning Glass Works, był znacznie lepszy od szkła używanego w 100-calowym teleskopie. Niestety, Hale zmarł w 1938 roku, przed ukończeniem teleskopu. Jednak prace były kontynuowane, choć spowolnione przez kilka wyzwań, w szczególności problemów związanych z II wojną światową. Wreszcie 26 stycznia 1949 roku, Edwin Hubble miał zaszczyt wykonania pierwszego zdjęcia za pomocą nowego instrumentu.

Z biegiem XX wieku pojawiło się wiele dużych reflektorów, z których pierwszym był Wielki Teleskop Atazymutowy Związku Radzieckiego w 1975 roku. Jeszcze większe, bardziej złożone teleskopy pokrywają dzisiejszy krajobraz astronomiczny, w tym gigantyczny 409-calowy Gran Telescopio Canarias i oczywiście, teleskopy kosmiczne, takie jak Teleskop Hubble’a oraz – miejmy nadzieję, że już wkrótce – Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

W miarę jak teleskopy stają się coraz większe i bardziej wyrafinowane, na naszą wdzięczność i szacunek zasługują pionierzy, tacy jak Henry Fitz, Alvan Clark, John Brashear czy George Ellery Hale, którzy otworzyli nam na oścież okno na wszechświat.

• https://astronomy.com/magazine/2019/08/great-telescopes-of-the–past
• https://books.google.co.uk/books?id=2LZZginzib4C