סקירה אודות ההיסטוריה של המכשיר שהביא לנו את השמים

קשה לתאר את תפיסת עולמינו לגבי כדור הארץ, השמש, הפלנטות, הכוכבים והיקום כולו ללא אותו מכשיר מופלא – הטלסקופ. 
מי המציא את הטלסקופ , מי הסתכל בו בכוכבים לראשונה ומי היו הממציאים שהביאו לשכלולו של הטלסקופ עד לבניית טלסקופ החלל והטלסקופים הענקיים על הפסגות הגבוהות בכדור הארץ. כל זאת במאמר שלפניכם.

ככל שידוע לנו השימוש הראשון במשהו שדומה לעדשות החל אי שם בשנת 424 לפני הספירה. המחזאי היווני הנודע אריסטופנס מתאר באחד ממחזותיו (עננים – Nephelai) כדורי זכוכית ממולאים במים בהם השתמשו לריכוז קרני השמש על מנת להבעיר אש. מאז, עברו עוד כאלפיים שנה עד שנעשה שימוש בעדשות בהקשר של כוכבים.
במאה השלוש עשרה – החלו האירופים לעשות שימוש בעדשות זכוכית מלוטשות על מנת לתקן ליקויים בראייה. במאה הארבע עשרה הופיעו משקפי הקריאה, השימוש בעדשות קעורות לתיקון קוצר ראייה החל רק במאה החמש-עשרה.

אריסטופנס

רבים נוטים לחשוב שגלילאו היה זה שהמציא את הטלסקופ אולם היום אנו יודעים שהמקור היה כנראה הולנדי:
אין היום ידיעה מוחלטת מי המציא את הטלסקופ האגדה מספרת כי היו אלה ילדים אשר שיחקו בעדשות קמורות וקעורות שהוצבו במרחקים שונים וכשהסתכלו דרכן הצליחו לראות את גג הכנסייה כשהוא קרוב אליהם יותר מאשר במציאות.

מכירת משקפי ראייה במאה ה-16

בשנת 1608 הגיש הנס ליפרשי Hans Lippershey בקשה לממשלת הולנד לרישום פטנט למכשיר המורכב מעדשות הנמצאות במרחקים האחת מרעותה. המכשיר אפשר לטענתו, לראות מקרוב עצמים הנמצאים ממרחק. ממשלת הולנד לא העניקה לו את הפטנט מכמה סיבות: בקשה דומה הוגשה במקביל על ידי שני ממציאים אחרים: ג'ייקוב מטיוס Jacob Metius וזכריה ג'נסן Sacharias Janssenכמו כן, לא נמצאה דרך להגן על הפטנט ולשמרו בסודיות.

הרישום העתיק ביותר הידוע שמתאר טלסקופ

במהרה הופיעו מכשירים דומים בפאריס ובאנגליה. אחד ממכשירים אלה מצא את דרכו לוונציה, איטליה, שם הוצג על ידי אלמוני בפני הסנאט. הזר נעלם עם ההמצאה, אולם היועץ המדעי של הסנאט פאולו סארפי Paolo Sarpi "נדלק" עליה וסיפר עליה לגדול המדענים האיטלקיים באותה תקופה – גלילאו.

בשנת 1609 בנה גלילאו מכשיר שכזה לעצמו. המכשיר של גלילאו היה שנוי במחלוקת. רבים חשו כי לא ימצא לו שימוש מעבר להצגה של אשליות אופטיות. עד היום לא ידוע אם גלילאו היה הראשון שכוון טלסקופ לשמיים אולם הוא היה הראשון אשר חיבר חוברת על ממצאיו ופרסמה בשנת 1610. המאמר "מבשר הכוכבים" Sidereus Nuncius נכתב על פני עשרים וארבעה עמודים בסך הכל, אולם הדהים והביך את הקהילה המדעית והדתית כאחד.

גלילאו

גלילאו הסביר כי בתצפיותיו ראה שפני הירח אינם חלקים כפי שנהוג היה לחשוב וכי הם מצולקים ומכוסים במכתשים. הוא כתב כי שביל החלב היה עשוי ממיליוני כוכבים, נגה נראה כסהר ויש לו מופעים דומים לאלה של הירח, ולצדק ישנם ארבעה ירחים. תגליות הובילו אותו לתיאור חדש של הגיאומטריה של היקום (התפיסה ההליו-צנרית) שבה השמש נמצאת במרכז. בניגוד לתפיסה הגיאו-צנטרית שבה כדור הארץ היה במרכז.
גלילאו לא היה הראשון לתגלית זו: קופרניקוס טען זאת חמישים שנה לפניו, אולם גלילאו הביא את ההוכחה התצפיתית.

רישומי הירח כפי שראה אותם גלילאו

בליל ה-14 לאפריל 1611, נערך משתה לכבודו של גלילאו ברומא. גלילאו הציג את המכשירים שלו בפני האורחים והראה להם את תגליותיו. משורר יווני דתי שהיה נוכח במקום, הציע את השם הלקוח מן היוונית העתיקה למכשיר של גלילאו – טלסקופ.

אחד הטלסקופים של גלילאו

הטלסקופ של גלילאו היה מורכב מצינור דק וארוך שבקצהו הקדמי (זה הפונה על השמים) ממוקמת עדשה. העדשה ריכזה את האור כלפי צידו האחורי של הטלסקופ שם מוקמה עדשה קטנה נוספת – העינית. טלסקופ מסוג זה נקרא טלסקופים שובר Refractor היות וקרן האור "נשברת" בדרכה אל ריכוז הקרניים בעינית. קוטר העדשה בטלסקופ של גלילאו היה 1.75 אינטש (כ-44.5 מ"מ) והוא הגיע בעזרת עדשות עינית שונות להגדלות של פי תשע ובשלבים מאוחרים יותר פי עשרים וארבע!
הזכוכית המקורית ששימשה לעדשת הטלסקופ של גלילאו מוצגת היום במוזיאון המוקדש לו ולפועלו בפירנצה.
בעשרים השנים הבאות – ניסו רבים לשפר את הטלסקופים. יוהנס קפלר שכלל את העיניות וביצע סדרה שלמה של ניסויים עם שתיים ולעיתים גם שלוש עדשות קעורות וקמורות כדי לקבל שדה רחב יותר ותמונה ישרה מדויקת יותר.

עדשת הטלסקופ של גלילאו המוצבת במוזיאון לזכרו בפירנצה שבאיטליה

לטלסקופים של גלילאו ואלו שבאו אחריו היתה בעיה יסודית – האברציה הכרומאטית.
היום אנו יודעים כי האור הלבן המגיע מן השמש (כמו גם מכוכבים אחרים) מורכב בעצם מאוסף של צבעים או במילים מדעיות יותר – אוסף של אורכי גל. כל צבע שכזה נשבר , כשהוא עובר דרך תווך מסוים כמו זכוכית למשל, בזווית שונה במקצת מצבע אחר. לכן, נוצרות מספר נקודות מיקוד של צבעים ולא נקודה אחת כפי שחשבו בתחילה. הדבר הקשה מאוד על קבלת תמונות חדות ועיכב ללא ספק את הבנת המראות שהתקבלו מתצפיות בשבתאי למשל.

תיאורים גראפיים של בעיית האברציה הכרומאטית

מחקרים שנערכו בשנים האחרונות מראים כי גם בימים של גלילאו , הכירו בבעיה זו, ונעשו ניסיונות לטפל בה, בין השאר על ידי הוספת צמצמים (טבעות שחסמו חלק מהאור) לטלסקופים. פתרון אחר היה ללטש את העדשות כך שאורך המוקד שלהם יהיה גדול יותר ועל ידי כך לקרב את נקודות המיקוד של הצבעים השונים, הדברים הגיעו לידי מימדים אבסורדיים של טלסקופים באורכים של עשרות מטרים. בפועל לא נמצא פתרון יעיל לבעיה זו.

הטלסקופ של הלווציוס באורך של יותר מ-30 מטר!

חמישים שנה לאחר פרסום החוברת של גלילאו, נכנס סיר איזק ניוטון לתמונה.

סיר אייזיק ניוטון

ניוטון, שלמד את מחקריו של רוברט בוייל Robert Boyle אודות נפיצות הצבעים, הבין כי העדשה מתנהגת בעצם כמנסרה כדורית ומכאן ועד להבנה של שורש הבעיה של האברציה הכרומאטית – הדרך קצרה.

שבירת האור דרך מנסרה

בשנת 1668 בנה ניוטון את הטלסקופ שלו שהיה מבוסס על מחקריו של רנה דקארט Renee Descartes בתחום החזר האור ממראה קעורה (פרבולית). ניוטון הבין כי אם ישתמש במראה במקום זכוכית, קרני האור לא ינפצו לשלל צבעיהן ועל ידי כך יתגבר על בעיית האברציה הכרומאטית.

החזר אור במראה קעורה

ניוטון השתמש במראה קעורה כדורית. בימיו עדין לא ידעו כיצד לייצר מראות מזכוכית והוא נאלץ להשתמש בסגסוגת מלוטשת של נחושת ובדיל. 
הרעיון בטלסקופ של ניוטון היה פשוט: מראה קעורה כדורית שאוספת את האור המגיע אליה ומחזירה אותו לנקודת מיקוד בקדמת הטלסקופ. שם ממתינה לאור מראה קטנה נוספת שנמצאת בזווית של 45 מעלות, המפנה את האור לצידו של גליל הטלסקופ – שם ממוקמת העינית.

הטלסקופ של ניוטון. מצד ימין למטה: המראה והעינית

 

ההצלחה היתה כבירה. ניוטון הצליח לבנות טלסקופ קטן יחסית. קוטר המראה היה כ38 מ"מ ואורך הטלסקופ היה זעיר גם כן כ-15 ס"מ. למרות גודלו הזעיר הטלסקופ הזה הגדיל פי 40! טלסקופים אופטיים בעלי תכונות הגדלה דומות היו באורך של כשני מטרים באותה תקופה.
אולם הטלסקופ של ניוטון לא היה חף ממגרעות. היה צורך למרק את מראת המתכת לעיתים קרובות על מנת שתחזיר אור כראוי וגם אז כושר ההחזר שלה היה נמוך ביותר – כ-16%. בעיה נוספת שצצה היא האברציה הכדורית: מראות שקעירותן היתה כדורית, גרמו לטשטוש התמונה בשולי העינית. ניוטון ידע את הפתרון – ליטוש המראה כך שהקעירות תהיה פרבולית, אולם לא היו בידיו הכלים המעשיים לביצוע ליטוש שכזה.
הטלסקופ שהומצא על ידי ניוטון נקרא טלסקופ מחזיר Reflector, כיוון שהמראה שלו מחזירה את האור.

ניוטון לא היה היחיד שחשב על פתרון של מראות לבעיית האברציה הכרומאטית:
בשנת 1663 תכנן ג'יימס גרגורי – James Gregory , טלסקופ המבוסס על מראה ראשית קעורה בעלת חתך פרבולי וחור פעור במרכזה. האור שנקלט במראה הוחזר למראה משנית שהיתה קבועה מול המראה הראשית בקדמת הטלסקופ וממנה חזר דרך החור שבמראה הראשית אל העינית. הרעיון בטלסקופ מורכב זה היה לקצר את אורך צינור הטלסקופ שכאמור, החל להגיע למימדים אבסורדיים. וכמו כן להתגבר על בעיית האברציה הכרומאטית. לרוע המזל באותה תקופה לא ניתן היה לבנות מראות באיכות הנדרשת לטלסקופ שכזה. תכנון דומה הוצע על ידי קסגריאן – Cassegrain בשנת 1672. גם כאן, הרעיון הקדים את הטכנולוגיה. טלסקופ מסוג קסגריין נבנה לראשונה שנים רבות לאחר מותו. טלסקופים מסוג שמידט קסגריאן נחשבים כיום לפופולאריים ביותר בקרב אסטרונומים חובבים.

מבנה טלסקופ קסגריאן

כאמור, חוסר היכולת ללטש מראות טובות גרם לטלסקופים המחזירים לחכות עד לאמצע המאה ה-18, אז החלו ימי הזוהר שלהם. ככל שקוטר המראה בטלסקופ גדול יותר כך ניתן לאסוף בעזרתה יותר אור ולראות עצמים חיוורים יותר ומכאן שגם רחוקים יותר. וכך החלו מפעלי האופטיקה ללטש מראות גדולות יותר ויותר. בשנת 1789, בנה סיר וויליאם הרשל Sir William Herschel טלסקופ ענקי לאותם זמנים: אורכו היה 12 מטרים והמראה בקוטר מטר ועשרים. כאן הופיעה בעיה חדשה: התפעול של טלסקופ שכזה מסובך מאוד לאור גודלו ומשקלו. והרשל עצמו העדיף להשתמש בטלסקופ "קטן" יותר באורך של 6 מטרים בלבד… רק לשם השוואה: קוטר המראה במצפה הכוכבים ע"ש וייז, השייך לאוניברסיטת תל-אביב ונמצא במצפה רמון, כמטר אחד.

הטלסקופ הגדול של הרשל

למרות שנראה היה שניוטון פתר את בעיית האברציה הכרומאטית על ידי שימוש במראות, המשיכו מלטשי העדשות למצוא פתרונות לבעיה גם עבור טלסקופים שוברים (מבוססי עדשות). התגלה שסוגי זכוכית שונים שוברים צבעים בזוויות שונות וניתן לייצר עדשה כך שתהייה מורכבת משני סוגי זכוכית וכך להקטין את האברציה הכרומאטית עד למאוד. בשנת 1729 הצליח צ'סטר מור-הול Chester Moor Hall ליצר עדשה המורכבת משני סוגי זכוכית ובכך להקטין את האברציה הכרומטית למינימום.
ג'והן דולנד – John Dolland, שכלל את הרעיון ובנה עדשה המורכבת משלושה אלמנטים: שתי עדשות קמורות העשויות מזכוכית קרואון ובינהן עדשה קעורה העשוייה מזכוכית פלינט (צור). בשנת 1757 רשם פטנט על המצאתו, וכך נולד הטלסקופ הא-כרומאטי. ההמצאה החזירה לטלסקופים השוברים את הפופולאריות שלהם. רבים מהטלסקופים השוברים הנמכרים כיום לחובבים הם טלסקופים א-כרומאטיים.

מערכת עדשות א-כרומאטית, כל עדשה עשוייה מסוג אחר של זכוכית

מערכת עדשות אפו-כרומאטית. מערכות אלה עשויות ממספר סוגי זכוכית , פותרות את בעיית האברציה הכרומאטית כמעט לחלוטין ויקרות להחריד

חוזרים אל המראות – כאמור שימוש במראות עשויות ממתכת הערים מספר קשיים. היה צורך למרק אותן מספר פעמים בשנה על מנת שיחזירו את האור בצורה הגיונית וגם אז ההחזר היה מועט. שימוש במתכות שלהן כושר החזר טוב יותר כגון כסף הערים קושי כלכלי על ייצור מראות גדולות עקב מחירה הגבוה של מתכת זו. 
בשנת 1850 הצליח הכימאי הגרמני ג'וסטוס פון לייביג – Justus von Liebig למצוא תהליך כימי שבעזרתו ניתן לצפות זכוכית במעטה דק של כסף. את הכסף ניתן למרק ולקבל מראה מלוטשת כראוי, בעלת כושר החזר מעולה ובמחיר סביר. האסטרונומים קארל אוגוסט פון סטיינהייל Carl August von Steinheil וליאון פוקו Leon Foucault הבינו את הפוטנציאל עצום הטמון בהמצאתו של פון לייביג לייצור מראות גדולות לטלסקופים. גם לכסף היו מגרעות והוא השחיר לאחר מספר חודשים אך היה קל וזול הרבה יותר לצפות את המראה מחדש מאשר לייצר וללטש מראה שלמה ממתכת.

מעבדה כימית בסוף המאה ה-19

פוקו שיפר מאוד גם את אמצעי המדידה הנדרשים בעת ליטוש הזכוכית למראה וביחד עם חברו סלל את הדרך לייצור מראות ענקיות לטלסקופים.
כיום ניתן לרכוש טלסקופים אסטרונומיים ניוטוניים מבוססי מראות במחירים סבירים מאוד. במקביל התפתחה בעולם תרבות שלמה של תחביב בניית טלסקופים עצמית. לציפוי מראות משתמשים כיום במתכות שונות, כגון אלומיניום, המאפשרות להגיע לכושר החזר כמעט מלא 98%. עמידות הציפוי טובה מאוד לאורך שנים.

עם תחילת הייצור של הטלסקופים הגדולים הוברר כי לאורות הכרך ולאטמוספרה יש השפעה גדולה מאוד לרעה על איכות התמונה המתקבלת בהם. כך החל גם מיקום של הטלסקופים להוות אתגר. הרצון להתרחק מן האורות של הערים ולמקמם על פסגות הרים גבוהים – שם האטמוספרה דלילה יותר כדי לקבל תנאי ראות טובים יותר הערים קשיים חדשים על בוני הטלסקופים. 
בשנת 1908 נבנה טלסקופ ריצ'י עם מראה בקוטר 60 אינטש (1.5 מטר), והוצב על הר וילסון בקליפורניה, ארה"ב.

טלסקופ ריצ'י בעל מראה בקוטר 60 אינטש

בתחילת המאה העשרים חדר הצילום אל עולם האסטרונומיה התצפיתית. התברר כי חשיפה ארוכה של לוחות צילום לאור הכוכבים מאפשרת קליטת מראות ברגישות גבוהה פי כמה מרגישות העין האנושית. וכך בטלסקופים הגדולים שנבנו מתחילת המאה העשרים ועד היום תופסים לוחות הצילום והמצלמות את מקומן של העיניות והעין האנושית.

האסטרונום ג'ורג' אלרי הייל George Ellery Hale שעבד על הר וילסון, לא הסתפק במפתח של 60 אינטש שסיפק לו טלסקופ ריצ'י, והחל לגייס כספים לטלסקופ גדול יותר בקוטר 100 אינטש (2.5 מטר). נמצא איש עסקים ג'והן ד. הוקר John D. Hooker שרצה ששמו יתנוסס על הטלסקופ הגדול בעולם, תמורת מימון מתאים. וכך נבנה טלסקופ הוקר ונכנס לפעולה בשנת 1917. כדי לקבל מושג על גודלו נאמר כי משקלו היה למעלה ממאה טון! על תנועותיו פיקחו שלושים מנועים!

טלסקופ הוקר בעל מראה בקוטר 100 אינטש

בשנת 1889, נולד בקנטאקי שבארה"ב אדווין האבל. בגיל 8 קיבל את הטלסקופ הראשון שלו מסבו. אביו שהיה סוכן ביטוח התעקש על לימודי משפטים והאבל הממושמע אכן עשה כן. מאוחר יותר יתלוצצו על כך כשיאמרו שטלסקופ החלל קרוי על שמו של עורך-דין. האבל לא נטש את אהבתו הגדולה ולמד במקביל גם פיסיקה ואסטרונומיה. להאבל היו גם תחומי עניין נוספים בהם הצטיין ובהם כדורסל ואף אגרוף. האבל התמסר ללימודי האסטרונומיה ובשנת 1917 הגיש את תזת הדוקטורט שלו. לקראת סיום לימודיו, קיבל האבל זמן תצפית בטלסקופ הוקר שנבנה זה מכבר על הר וילסון בקליפורניה. כשצפה בטלסקופ זה במה שהיה ידוע באותם ימים כ"ערפילית אנדרומדה", גילה כי בעצם מדובר בגלקסיה שכנה שמרחקה מגלקסיית שביל החלב למעלה ממיליון שנות אור! בהמשך גילה כי היקום מורכב מכמות עצומה של גלקסיות המתרחקות אחת מרעותה – תגלית שהביא בסופו של דבר לתיאורית היקום המתפשט וממנה 
לתיאורית המפץ הגדול.

אדווין האבל

האבל זכה לראות כיצד נבנה טלסקופ הייל הענקי על הר פאלומר, בקוטר גדול עוד יותר 200 אינטש (חמישה מטרים!) אולם לא זכה לשעות תצפית רבות בו.

טלסקופ הייל בעל מראה בקוטר 200 אינטש

למרות כל ההתפתחויות ובניית הטלסקופים הגדולים, האטמוספרה האופפת אותנו נשארה עדיין כמחסום גדול בצפייה בגרמי שמיים רחוקים.
בשנת 1962 הציעה האקדמיה למדעים בארה"ב לשקול בניית טלסקופ גדול שיוצב בחלל. בשנת 1977 אישר הקונגרס את התקציב והפרויקט יצא לדרך.בנייתו של טלסקופ החלל שנקרא על שמו של אדווין האבל. הבנייה הסתימה ב-1985. עקב אסון מעבורת הצ'לנג'ר ב-1986, עוקבה הצבתו לחלל עד לשנת 1990.
באפריל 1990, החל הטלסקופ לשלוח תמונות למרכז הבקרה אולם שוד ושבר! התמונות היו מטושטשות למדי והיה חשש כי השקעה של מיליארדי דולרים ירדה לטמיון. התברר כי טעות בליטוש המראה גרמה לטשטוש. במבצע הנדסי מדהים נבנתה מצלמה מיוחדת המתקנת את הטעות שבליטוש המראה. ב-1993 נשלחה מעבורת החלל אנדוור למשימת שירות לתיקון הטלסקופ. או אז החל הטלסקופ לשדר תמונות מרהיבות מעולמות רחוקים. כל כך רחוקים עד שיכול לראות את קצה היקום כמעט. בשנת 1977 זכה טלסקופ החלל למשימת שירות נוספת והוחלט להשאירו בשירות עד לשנת 2010. אסון מעבורת הקולומביה מאפיל כעת על המשך שירותו של טלסקופ החלל עקב הסכנה הכרוכה המשלוח צוות למשימת שירות.

טלסקופ החלל ע"ש האבל מרחף מעל כדור הארץ

כיום בתחילת האלף השלישי, משרתים את האסטרונומים טלסקופים ענקיים בעלי מראות בקוטר של כעשרה מטרים. שני טלסקופים כאלה ממוקמים על פסגות הרים בהוואי ומתפקדים בעצם כמשקפת גדולה. משימות התצפית מאחדות תמונות הנשלחות גם מטלסקופ החלל ומושוות עם הטלסקופים הארציים.

שתי הכיפות של טלסקופ קק שבהוואי

 

על מנת ליהנות ממה שהשמיים יכולים להציע אין צורך בטלסקופ ענקי ובתקציבי מדינה. ניתן להסתפק במשקפת שדה טובה, זכרו כי הטלסקופ הראשון של גלילאו לא הגדיל הרבה יותר ממשקפת שדה…

שמים צלולים

עדן אוריון