หลักการของกล้องโทรทรรศน์

นักดาราศาสตร์นำกล้องโทรทรรศน์ (Telescope) มาเป็นเครื่องมือในการศึกษาเทห์วัตถุท้องฟ้า

เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์ มีคุณสมบัติที่สำคัญ 2 ประการคือ

1. ความสามารถในการรวบรวมแสง - เลนส์หรือกระจกขนาดใหญ่ สามารถรวบรวมแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์

2. ความสามารถในการขยาย - ช่วยเพิ่มขนาดของภาพ ทำให้เห็นรายละเอียดของวัตถุได้มากขึ้น

อุปกรณ์ที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์คือ "เลนส์นูน" มีหน้าที่รวมแสงให้มาตกที่จุด "จุดโฟกัส" (focus) เราเรียก ระยะทางระหว่างจุดกึ่งกลางของเลนส์กับจุดโฟกัสว่า "ความยาวโฟกัส"

หากเราใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุท ี่ระยะใกล้กว่ากว่าความยาวโฟกัส จะเห็นว่า เลนส์นูนช่วยในการขยายภาพ

หากเราใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่ ระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส จะเห็นว่า เลนส์นูนรวมแสง แล้วให้ภาพหัวกลับ ดังภาพที่ 1

อาศัยหลักการหักเหของแสงผ่านเลนส์นูนจำนวน 2 ชุด โดยเลนส์แต่ละชุด ประกอบด้วยเลนส์ 2-3 ชิ้น สร้างจากเนื้อแก้วที่ต่างกัน ประกบกัน เพื่อแก้ความคลาดสี (ถ้าใช้เลนส์เดี่ยว จะให้ภาพขอบวัตถุเป็นสีรุ้ง เนื่องจากแสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นไม่เท่ากัน จึงทำให้ความยาวโฟกัสไม่เท่ากัน)

เลนส์ชุดหน้า มีขนาดใหญ่ เรียกว่า "เลนส์วัตถุ" (Objective Lens) ทำหน้าที่รวบรวมแสง

ส่วนเลนส์ชุดหลังซึ่งใช้มอง มีขนาดเล็ก เรียกว่า "เลนส์ตา" (Eyepiece) ทำหน้าที่เพิ่มกำลังขยาย ดังที่แสดงในภาพที่ 2

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของกล้องโทรทรรศน์คือ "กำลังรวมแสง" (Light-gathering power) กล้องโทรทรรศน์ช่วยให้นักดาราศาสตร์มองเห็น เทห์วัตถุในห้วงอวกาศ อาทิเช่น กาแล็กซี เนบิวลา และกระจุกดาวต่าง ๆ ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เนื่องจากระยะทางที่ไกลมาก ทำให้แสงของมันจางลง

เลนส์นูนของกล้องโทรทรรศน์มีพื้นที่รับแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์

จึงมีกำลังรวมแสงที่มากกว่า อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถกำหนด ค่ากำลังรวมแสงของเลนส์เป็นค่าเฉพาะได้ หากแต่กำหนดได้ด้วยการเปรียบเทียบเท่านั้น

ยกตัวอย่าง:

เมื่อเปรียบเทียบเลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 cm กับดวงตาของเรา (กระจกตาดำ) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.5 cm จะเห็นว่า เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ มีขนาดใหญ่กว่าถึง 100 เท่า และจะมีกำลังรวมแสงมากว่าถึง 10,000 เท่า (100 ยกกำลังสอง)

ลองคิดดูว่ากล้องโทรทรรศน์ Keck ที่ใหญ่ที่สุดในโลก บนเกาะฮาวาย มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร จะมีกำลังรวมแสงมากกว่าตาของมนุษย์ กี่เท่า?

นอกจากคุณสมบัติในการรวมแสงแล้ว นักดาราศาสตร์ยังต้องการ "กำลังขยาย" (Magnification) ในการศึกษารายละเอียดของเทห์วัตถุท้องฟ้า อาทิเช่น พื้นผิวของดาวเคราะห์ และดวงจันทร์ พวกเขาสามารถปรับกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ ด้วยการเปลี่ยนความยาวโฟกัสของเลนส์ตา ได้ตามสูตร

ยกตัวอย่าง:

ถ้าความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุ = 1000 mm ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา = 10 mm กำลังขยายย่อมเท่ากับ 1000/10 คือ 100 เท่า

ทว่าในทางปฏิบัตินั้น ถ้าเราเพิ่มกำลังขยายขึ้น 2 เท่า ความสว่างของภาพจะลดลง 4 เท่า

ดังนั้น กำลังขยายสูงสุดที่ใช้งานได้จริงจึงอยู่ที่ค่าประมาณ 50 คูณด้วย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ ซึ่งมีหน่วยเป็นนิ้ว (แต่ไม่เกิน 400 เท่า) เป็นต้นว่า กล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 นิ้ว จะมีกำลังขยายที่ใช้งานได้ไม่เกิน 50 x 4 = 200 เท่า

การใช้กำลังขยายที่สูงมาก จะทำให้ได้ภาพที่มีคุณภาพต่ำ มืด มัว และสั่นไหว เนื่องจากขณะที่เราขยายภาพดาว ก็จะขยายภาพของบรรยากาศโลกตามไปด้วย ทำให้ได้ภาพพร่ามัว และไหล คล้ายการมองเห็นวัตถุที่อยู่ในน้ำ

อัตราส่วนโฟกัส (Focal ratio) เป็นคุณสมบัติอีกข้อหนึ่งที่สำคัญของเลนส์กล้องโทรทรรศน์ เป็นค่าอัตราส่วน ระหว่างความยาวโฟกัสของเลนส์วัตถุ กับ เส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุ เรามักเห็นค่านี้แสดงด้วย "f/" บนเลนส์กล้องถ่ายรูปทั่วไป

ยกตัวอย่าง:

เลนส์วัตถุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 mm ความยาวโฟกัส 1,000 mm มีค่า "f/10"

เลนส์วัตถุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 mm ความยาวโฟกัส 500 mm มีค่า "f/5"

เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/น้อย จะให้ขอบภาพกว้างและสว่างกว่า เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/มาก
เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/มาก จะให้ความชัดลึกของภาพมากกว่า เลนส์ที่มีค่าตัวเลข f/น้อย

หมายเหตุ: ห้ามใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดูดวงอาทิตย์ โดยปราศจากแผ่นกรองแสงอาทิตย์ที่มีคุณภาพ โดยเด็ดขาด

ขอขอบคุณ ข้อมูลที่มีประโยชน์จาก เว็บไซต์ Lesa โครงการเรียนรู้วิยาศาสตร์โลกและอวกาศ
เพื่อร่วมกันสร้างสังคมแห่งการเรียนรู้บนโลกอินเตอร์เน็ต

ผู้มีบทความทางด้านวิทยาศาสตร์น่ารู้
สามารถส่งผลงานของท่านมาได้ที่ arunee@teeneemedia.com