หลักการของกล้องโทรทรรศน์

        กล้องโทรทรรศน์ (Telescope) เป็นกล้องส่องทางไกลซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้ศึกษาวัตถุท้องฟ้า มีสมบัติที่สำคัญ 2 ประการ คือ

    • ความสามารถในการรวมแสง - กล้องโทรทรรศน์สามารถรวมแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์ ช่วยให้สามารถมองเห็นวัตถุซึ่งมีความสว่างน้อย เช่น เนบิวลา และกาแล็กซี 
    • ความสามารถในการขยาย - กล้องโทรทรรศน์ช่วยขยายขนาดของภาพ ทำให้มองเห็นรายละเอียดของวัตถุได้มากขึ้น เช่น หลุมบนดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ ดาวคู่ เป็นต้น

        อุปกรณ์ที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์คือ เลนส์นูน มีหน้าที่รวมแสงให้มาตกที่จุดโฟกัส (Focus) เราเรียกระยะทางระหว่างจุดกึ่งกลางของเลนส์กับจุดโฟกัสว่า "ความยาวโฟกัส" (Focal length)

    • หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะใกล้กว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะช่วยในการขยายภาพ 
    • หากใช้เลนส์นูนส่องมองวัตถุที่มีระยะไกลกว่าความยาวโฟกัส เลนส์นูนจะข่วยในการรวมแสง แล้วให้ภาพหัวกลับ ดังภาพที่ 1

ภาพที่ 1 เลนส์นูนหักเหแสงให้ภาพหัวกลับ

        ฮานส์ ลิเพอร์ฮี (Hans Lipperhey) ช่างทำแว่นชาวดัตซ์ ด้ประดิษฐ์กล้องส่องทางไกลตัวแรกของโลกขึ้นในปี พ.ศ.2153  โดยการนำเลนส์นูนและเลนส์เว้ามาเรียงต่อกันโดยมีระยะห่างเท่ากับความยาวโฟกัสของเลนส์ทั้งสอง  ปีต่อมา กาลิเลโอ กาลิเลโอ นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลีได้นำกล้องส่องทางไกลแบบนี้มาใช้ศึกษาวัตถุท้องฟ้า   นักวิทยาศาสตร์ในยุคต่อมาได้ปรับปรุงกล้องโทรทรรศน์โดยใช้เลนส์นูน 2 ชุด เลนส์ชุดหน้ามีขนาดใหญ่หันไปยังวัตถุที่ต้องการจะดูเรียกว่า "เลนส์ใกล้วัตถุ" (Objective Lens) มีหน้าที่รวบรวมแสง  เลนส์ชุดหลังมีขนาดเล็กใช้สำหรับมองเรียกว่า "เลนส์ใกล้ตา" (Eyepieces) มีหน้าที่เพิ่มกำลังขยาย เลนส์ทั้งสองเรียงต่อกันโดยมีระยะห่างเท่ากับความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ (fo) และความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา (feรวมกันหรือ fo + fe  กล้องโทรทรรศน์แบบนี้ให้ภาพจริงหัวกลับดังที่แสดงในภาพที่ 2


ภาพที่ 2 การทำงานของเลนส์กล้องโทรทรรศน์


กำลังรวมแสง

        สมบัติที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์คือ "กำลังรวมแสง" (Light-gathering power) กล้องโทรทรรศน์ช่วยให้นักดาราศาสตร์มองเห็นวัตถุในห้วงอวกาศที่อยู่ห่างไกล เช่น เนบิวลา กระจุกดาว และกาแล็กซีต่างๆ ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เนื่องจากแสงเดินทางมาจากระยะทางที่ไกลมาก ความเข้มของแสงจึงลดลง   เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีพื้นที่รับแสงได้มากกว่าดวงตาของมนุษย์ จึงมีกำลังรวมแสงมากกว่า อย่างไรก็ตามเราไม่สามารถกำหนดค่ากำลังรวมแสงของเลนส์เป็นค่าเฉพาะได้ หากแต่กำหนดด้วยการเปรียบเทียบเป็นอัตราส่วนระหว่างเลนส์สองชุด

        ตัวอย่าง: เมื่อเปรียบเทียบเลนส์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 500 มิลลิเมตร กับดวงตาของมนุษย์ (กระจกตาดำ) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 มิลลิเมตร จะเห็นว่า เลนส์ของกล้องโทรทรรศน์มีขนาดใหญ่กว่าดวงตาของมนุษย์ = 500/5 = 100 เท่า  และมีกำลังรวมแสงมากกว่า 100= 10,000 เท่า  



กำลังขยาย

        นอกจากสมบัติในการรวมแสงแล้ว นักดาราศาสตร์ยังต้องการ กำลังขยาย (Magnification)

ในการศึกษารายละเอียดของวัตถุท้องฟ้า เช่น ลักษณะของดาวเคราะห์ ระยะห่างระหว่างดาวคู่  ซึ่งเราสามารถคำนวณกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ด้วยสูตร 

        กำลังขยาย = ความยาวของโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ/ความยาวของโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา
                        = fo/fe 

        ตัวอย่าง: ถ้าเลนส์ใกล้วัตถุมีความยาวโฟกัส 1000 มิลลิเมตร  เลนส์ใกล้ตามีความยาวโฟกัส 10 มิลลิเมตร กำลังขยายที่ได้คือ  fo/fe = 1000/10 = 100 เท่า 

        เราสามารถเปลี่ยนกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ให้เหมาะสมกับการใช้งานดังตารางที่ 1 โดยการเลือกใช้เลนส์ใกล้ตาที่มีความยาวโฟกัสมากขึ้นหรือน้อยลง อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติ เมื่อเพิ่มกำลังขยายขึ้น 2 เท่า ความสว่างของภาพจะลดลง 4 เท่า ขนาดของเลนส์ใกล้วัตถุเป็นตัวจำกัดกำลังขยายสูงสุด การใช้กำลังขยายสูงโดยที่เลนส์ใกล้วัตถุมีขนาดเล็กเกินไปจะได้ภาพคุณภาพต่ำและมืดเกินไป  โดยปกติกำลังขยายสูงสุดที่ใช้งานได้จริงมีค่าประมาณ 50 คูณด้วยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ใกล้วัตถุซึ่งมีหน่วยเป็นนิ้ว ตัวอย่างเช่น กล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตรหรือ 4 นิ้ว จะมีกำลังขยายที่ใช้งานได้ไม่เกิน 50 x 4 = 200 เท่า     

        นอกจากนั้นแม้ว่าเลนส์ใกล้วัตถุจะมีขนาดใหญ่มาก แต่เมื่อใข้กำลังขยายมากกว่า 400 เท่า จะเป็นการขยายภาพกระแสอากาศไปด้วย ภาพที่ได้จะเบลอสั่นเหมือนการมองดูปลาที่อยู่ในกระแสน้ำที่ไหลเชี่ยว  ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่บนยอดภูเขาสูงที่ซึ่งมีอากาศบาง หรือส่งกล้องโทรทรรศน์ขึ้นไปอยู่ในอวกาศเพื่อให้ภาพคมชัด เนื่องจากไม่มีบรรยากาศเป็นอุปสรรคขวางกั้นทางเดินของแสงเลย 


ตารางที่ 1 เปรียบเทียบกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์

  กำลังขยายต่ำ
  10 - 20 เท่า
 ใช้สำรวจกระจุกดาวขนาดใหญ่ กาแล็กซีแอนโดรมีดา  
 ทางช้างเผือก และค้นหาดาวหาง
  กำลังขยายปานกลาง 
  20 - 70 เท่า
  ใช้งานทั่วไป สังเกตพื้นผิวดวงจันทร์ เนบิวลา
  กระจุกดาวเปิด เนบิวลา และกาแล็กซี
 
  กำลังขยายสูง 
  70 - 200 เท่า 
  ใช้สังเกตดาวเคราะห์ และจำแนกวัตถุขนาดเล็ก เช่น
  ดาวคู่ ซึ่งอยู่ใกล้กันมาก 


อัตราส่วนโฟกัส

        อัตราส่วนโฟกัส (Focal ratio) เป็นสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์วัตถุกับความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ ซึ่งมักแสดงด้วยอักษร f/ กำกับอยู่บนเลนส์ ตัวอย่างเช่น 
        เลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร ความยาวโฟกัส 500 มิลลิเมตร มีอัตราส่วนโฟกัส f/5
        เลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตร  ความยาวโฟกัส 1,000 มิลลิเมตร มีอัตราส่วนโฟกัส f/10 

        การออกแบบกล้องโทรทรรศน์ให้เหมาะสมกับการใช้งาน ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้เลนส์ใกล้วัตถุที่มีอัตราส่วนโฟกัสดังนี้ 

    • เลนส์นูนหรือกระจกเว้าที่มีค่า f/ น้อย (f/3 - f/7) มีกรวยรับแสงกว้าง ให้กำลังขยายต่ำ แต่ให้ภาพสว่าง เหมาสำหรับใช้ดูวัตถุขนาดใหญ่ที่มีความสว่างน้อย เช่น กาแล็กซี 
    • เลนส์นูนหรือกระจกเว้าที่มีค่า f/ มาก (f/8 - f/15) มีกรวยรับแสงแคบ ให้กำลังขยายสูง แต่ให้ภาพไม่สว่าง เหมาะสำหรับใช้ดูวัตถุขนาดเล็กที่มีความสว่างมาก เช่น ดาวเคราะห์ 

หมายเหตุ

        ห้ามใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องมองดูดวงอาทิตย์ โดยปราศจากแผ่นกรองแสงอาทิตย์ที่มีคุณภาพโดยเด็ดขาด เนื่องจากอาจทำให้ตาบอดได้