07-06-2023, 03:18 PM
تلسكوب المرآة أو التلسكوب العاكس هو تلسكوب يستخدم مرآة مقعرة كبيرة مشكلة في هيئة قطع مكافيء. يستخدم مع المرآة الرئيسة مرأة أخرى مقعرة مواجهة للمرآة الرئيسية فتعكس عليها الأشعة وتركزها في بؤرة خلف المرآة الرئيسية. توجد في وسط المرآة الرئيسية فتحة صغيرة تمر فيها أشعة المرآة الثانوية بحيث يمكن رؤية الصورة عند البؤرة. التلسكوبات الحديثة تصل قطر مرآتها الرئيسية نحو 10 متر، وهي تستطيع مشاهدة أعماق الكون. يساعدها في ذلك كاميرات تجمع الاشعة القادمة من أجرام بعيدة يكون لمعانها ضعيف وذلك بتصويرها خلال ساعات طويلة.
تصلح تلك التلسكوبات لاستقبال الضوء المرئي ولاستقبال جزئين من طيف الأشعة الكهرومغناطيسية في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء البعيد.
المقرابات ذات المرايا هي أكبر النشآت الفلكية التي تقوم بالرصد الفلكي من الأرض. فهي تتكون من مرايا يبلغ قطر الواحدة منها 8 إلى 10 متر، وهي ثقيلة جدا. ولأنها لا تستطيع الرصد إلا في حيز ضيق من طيف الأشعة الكهرومغناطيسية بسبب امتصاص جو الأرض الشديد للأشعة الأخرى مثل أشعة إكس.
لهذا لجأ العلماء لإرسال تلسكوبات مرايا إلى الفضاء لتقوم بالرصد بعيدا عن جو الأرض الذي يمتص ويضعف الأشعة. وكان أولها تلسكوب هابل الفضائي الذي يقوم بالرصد في نطاق الأشعة المرئية وهو مكون أساسا من مرآتين عاكستين.
يعد تلسكوب هابل الفضائي أحد أكبر التلسكوبات الفضائية.أطلق في عام 1990 إلى الفضاء ويدور حول الأرض على ارتفاع نحو 600 كيلومتر، ولا يزال يعمل ويرسل صوره إلى مراكز البحوث على الأرض. قامت المؤسسة الأمريكية ناسا بالمساهمة مع وكالة الفضاء الأوروبية ببنائه، ويقوم بتشغيله معهد علوم تلسكوب الفضاء. وهو أحد مراصد ناسا الكبيرة، ويعمل جنبا إلى جنب مع مرصد كومبتون لأشعة غاما، ومرصد شاندرا الفضائي للأشعة السينية، وتلسكوب سبيتزر الفضائي الذي يستقبل الأشعة تحت الحمراء. بهذا تكمل التلسكوبات المختلفة عمل الآخرى بحيث نحصل على معلومات مرئية وغير مرئية من جميع أنحاء الكون، لمعرفة كيف بدأ؟ وما هو مصيره؟
معلومات تاريخية
فكرة أن مرآة مقعرة تقوم بعمل العدسات تعود على الأقل إلى دراسة ابن الهيثم في القرن الحادي عشر عن البصريات، وتم نشر العديد من هذه الأعمال في الترجمات اللاتينية في أوروبا الحديثة المبكرة. وبعد اختراع تلسكوب العدسات بقليل، تَحَـفز جاليليو جاليلي، وجيوفاني فرانشيسكو ساجريدو، وغيرهم بفضل إلمامهم بمبادئ المرايا المنحنية، وناقشوا فكرة بناء مقراب باستخدام مرآة لتقوم بعمل العدسة الرئيسة في تشكيل الصورة. وكانت هناك تقارير بأن البولوني تشيزاري كارافاجي قد قام ببناء واحد في عام 1626 . وكتب البروفيسور الإيطالي «نيكولو زوكي» في أبحاثٍ لاحقة أنه قام بتجارب استخدم فيها مرآة برونزية مقعرة في 1616. ولكنه ذكر أنها لم توفر صورةً مُرضية. كما متب عن الفوائد المحتملة من استخدام مرآة في شكل قطع مكافئ. فهي تعمل على خفض الزيغ الكروي والتخلص من الزيغ اللوني؛ الأمر الذي قاد إلى العديد من التصميمات الجديدة للمقراب العاكس.
هذا وتعد أفكار جيمس جريجوري والتي نشرت لشرح المقراب الذي أصبح يطلق عليه مقراب غريغوري أكثر هذه الأفكار شهرةً، إلا أنه لم يتم صنه نماذج عملية حتى قام روبرت هوك بصنعه في عام 1673.
وينسب بشكلٍ عام إلى إسحاق نيوتن صُنع أول مقراب عاكس في عام 1668. وقد استخدم المقراب معدنًا كرويًا مصقولاً في شكل قطع مكافيء كـ مرآة أساسية ومرآة صغيرة قُطرية في ترتيب بصري أصبح يعرف باسم مقراب نيوتن.
وعلى الرغم من المزايا النظرية للتصميم العاكس، ولكن صعوبة التصنيع والأداء الضعيف لمرايا العاكس المعدني المستخدمة في ذلك الوقت، فقد أخذ الأمر أكثر من 100 عام حتى تصبح هذه المقاريب أكثر شعبية. والكثير من التطورات في المقراب العاكس تضمنت إتقان صنع مرآة قفطع مكافيء في القرن الثامن عشر، والمرايا الزجاجية المُبَطنة بالفضة في القرن التاسع عشر، وبطانات الألومنيوم طويلة الأجل في القرن العشرين، والمرآة المجزأة للسماح بقطرٍ أكبر، والبصريات النشطة للتعويض عن التشويه الناتج عن الجاذبية. كانت مقاريب الانعكاسية الانكسارية مثل تلسكوب شميدت، التي تَستخدم عدسة (لوحة تصحيح) ومرآة كعناصرٍ أساسية أحد ابتكارات منتصف القرن العشرين، والتي استخدمت بشكلٍ رئيسي في التصوير واسع المجال من دون انحرافٍ كروي.
وقد شهد أواخر القرن العشرين تطور البصريات المكيفة وبصريات نشيطة للتغلب على تاثيرات كثافة الجو واختلاف درجة حرارته مما يعقد الرؤية الفلكية. وكذلك لجأ العلماء إلى إرسال تلسكوبات إلى الفضاء للتصوير الفلكي بعيدا عن الغلاف الجوي للأرض، وجميعها يستخدم نظام المرآة المقعرة مثل تلسكوب هابل الفضائي الذي ارسل إلى مدار حول الأرض في عام 1996 ولا يزال يرسل إلينا بصوره الدقيقة. وأنواع عديدة أخرى من التلسكوبات وأدوات التصوير في المركبات الفضائية لتغطي الرصد الفلكي في حيز الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء.
الاعتبارات التقنية
مرآة أساسية مقعرة في شكل قطع مكافيء هي العنصر البصري الأساسي للمقراب العاكس وهي التي تخلق صورة عند المستوى البؤري. والمسافة بين المرآة والمستوى البؤري تسمى البعد البؤري. توجد كاميرا عادة عند البؤرة لتسجيل الصورة. بالإضافة إلى المرآة الرئيسية الكبيرة توجد في مواجهتها مرآة مقعرة أخرى صغيرة لعكس الاشعة في اتجاه المرآة الرئيسية، وتجمع الأشعة في بؤرة خلف الرآة الرئيسية. توجد في الرآة الرئيسية ثقب صغير لتمرير الأشعة المركزة في البؤرة حيث تستقبلها الكاميرا.
وتكون المرآة الأساسية في معظم المقاريب الحديثة مصنوعةً من مرآة مقعرة من الزجاج الصلب وقليل التمدد الحراري. يكون سطحها الأمامي مصقولاً ليصبح على هيئة قطع مكافيء (إذا كان سطح المرآة كرويا فلا نحصل على صورة واضحة). على سطح المرآتين توجد وطبقة رقيقة من الألومنيوم مرسبة فراغيًا على المرآة شديدة الانعكاس.
تستخدم بعض المقاريب مرايا رئيسية مصنوعة بشكلٍ مختلف. فيتم تدوير الزجاج الذائب لجعل سطحه مكافئًا، وتستمر في الدوران بينما تبرد وتتصلب. ويكون شكل المرآة الناتجة مقاربًا للشكل المكافئ المرغوب فيه مما يحتاج إلى أقل قدرٍ من الصقل والتلميع للوصول إلى الشكل المطلوب تمامًا.
الأخطاء البصرية
المقاريب العاكسة، مثلها مثل أي نظامٍ بصريٍ آخر، لا تُنتِج صورًا «مثالية». تعني الحاجة إلى تصوير الأشياء الموجودة على مسافاتٍ تصل إلى ما لا نهاية، ورؤيتها على موجاتٍ ضوئية مختلفة، جنبًا إلى جنب مع الحاجة إلى الحصول على طريقةٍ ما لرؤية الصور التي تُنتجها المرآة الأساسية، أن هناك دائمًا مساومة في التصميم البصري لمقرابٍ عاكس.
لأن المرآة الأساسية تركز الضوء إلى نقطة مشتركة أمام سطح انعكاسها، فمعظم تصاميم المقارب العاكسة لها مرآة ثانوية، وحامل للفيلم، أو مكشاف قريب جزئيًا من نقطة التركيز تلك؛ يعوق الضوء من الوصول إلى المرآة الأساسية. ولا يتسبب هذا في تقليل كمية الضوء التي يجمعها النظام، بل يتسبب أيضًا في فقدان تباين الصورة بسبب عوامل الحيود التي تسببها الإعاقة وأيضًا ارتفاع الحيود الذي تسببه معظم الهياكل الثانوية الداعمة.
إن استخدام المرايا يتجنب الزيغ اللوني ولكنه يُنتج أنواعًا أخرى من الزيغ. ولا يمكن لـمرآة كروية أن تأتي بالضوء من غرضٍ بعيد لتركيزٍ واحد، بما أن انعكاس الضوء الذي يصطدم بالمرآة حول حوافها لا يتقارب مع الانعكاسات المنعكسة من النقاط الأقرب لمركز المرآة، وهو الخلل الذي يطلق عليه الزيغ الكروي. ولتجنب تلك المشكلة، تستخدم معظم المقاريب العاكسة مرايا مكافئة الشكل، وهو الشكل الذي يمكنه تركيز كل الضوء على منطقة تركيزٍ بعينها. وتعمل المرايا المكافئة جيدًا مع الأشياء الموجودة بالقرب من مركز الصورة التي تنتجها، (الضوء المسافر موازٍ لـ المحور البصري للمرآة)، ولكنها تعاني من زيغ بُعد المحور عند البعد في اتجاه حواف نفس مجال الرؤية:
الاستخدام في الأبحاث الفلكية
تعد كل المقاريب الكبيرة للأبحاث الفلكية تقريبًا مقاريب عاكسة. ويرجع ذلك إلى العديد من الأسباب:
تصلح تلك التلسكوبات لاستقبال الضوء المرئي ولاستقبال جزئين من طيف الأشعة الكهرومغناطيسية في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء البعيد.
المقرابات ذات المرايا هي أكبر النشآت الفلكية التي تقوم بالرصد الفلكي من الأرض. فهي تتكون من مرايا يبلغ قطر الواحدة منها 8 إلى 10 متر، وهي ثقيلة جدا. ولأنها لا تستطيع الرصد إلا في حيز ضيق من طيف الأشعة الكهرومغناطيسية بسبب امتصاص جو الأرض الشديد للأشعة الأخرى مثل أشعة إكس.
لهذا لجأ العلماء لإرسال تلسكوبات مرايا إلى الفضاء لتقوم بالرصد بعيدا عن جو الأرض الذي يمتص ويضعف الأشعة. وكان أولها تلسكوب هابل الفضائي الذي يقوم بالرصد في نطاق الأشعة المرئية وهو مكون أساسا من مرآتين عاكستين.
يعد تلسكوب هابل الفضائي أحد أكبر التلسكوبات الفضائية.أطلق في عام 1990 إلى الفضاء ويدور حول الأرض على ارتفاع نحو 600 كيلومتر، ولا يزال يعمل ويرسل صوره إلى مراكز البحوث على الأرض. قامت المؤسسة الأمريكية ناسا بالمساهمة مع وكالة الفضاء الأوروبية ببنائه، ويقوم بتشغيله معهد علوم تلسكوب الفضاء. وهو أحد مراصد ناسا الكبيرة، ويعمل جنبا إلى جنب مع مرصد كومبتون لأشعة غاما، ومرصد شاندرا الفضائي للأشعة السينية، وتلسكوب سبيتزر الفضائي الذي يستقبل الأشعة تحت الحمراء. بهذا تكمل التلسكوبات المختلفة عمل الآخرى بحيث نحصل على معلومات مرئية وغير مرئية من جميع أنحاء الكون، لمعرفة كيف بدأ؟ وما هو مصيره؟
معلومات تاريخية
فكرة أن مرآة مقعرة تقوم بعمل العدسات تعود على الأقل إلى دراسة ابن الهيثم في القرن الحادي عشر عن البصريات، وتم نشر العديد من هذه الأعمال في الترجمات اللاتينية في أوروبا الحديثة المبكرة. وبعد اختراع تلسكوب العدسات بقليل، تَحَـفز جاليليو جاليلي، وجيوفاني فرانشيسكو ساجريدو، وغيرهم بفضل إلمامهم بمبادئ المرايا المنحنية، وناقشوا فكرة بناء مقراب باستخدام مرآة لتقوم بعمل العدسة الرئيسة في تشكيل الصورة. وكانت هناك تقارير بأن البولوني تشيزاري كارافاجي قد قام ببناء واحد في عام 1626 . وكتب البروفيسور الإيطالي «نيكولو زوكي» في أبحاثٍ لاحقة أنه قام بتجارب استخدم فيها مرآة برونزية مقعرة في 1616. ولكنه ذكر أنها لم توفر صورةً مُرضية. كما متب عن الفوائد المحتملة من استخدام مرآة في شكل قطع مكافئ. فهي تعمل على خفض الزيغ الكروي والتخلص من الزيغ اللوني؛ الأمر الذي قاد إلى العديد من التصميمات الجديدة للمقراب العاكس.
هذا وتعد أفكار جيمس جريجوري والتي نشرت لشرح المقراب الذي أصبح يطلق عليه مقراب غريغوري أكثر هذه الأفكار شهرةً، إلا أنه لم يتم صنه نماذج عملية حتى قام روبرت هوك بصنعه في عام 1673.
وينسب بشكلٍ عام إلى إسحاق نيوتن صُنع أول مقراب عاكس في عام 1668. وقد استخدم المقراب معدنًا كرويًا مصقولاً في شكل قطع مكافيء كـ مرآة أساسية ومرآة صغيرة قُطرية في ترتيب بصري أصبح يعرف باسم مقراب نيوتن.
وعلى الرغم من المزايا النظرية للتصميم العاكس، ولكن صعوبة التصنيع والأداء الضعيف لمرايا العاكس المعدني المستخدمة في ذلك الوقت، فقد أخذ الأمر أكثر من 100 عام حتى تصبح هذه المقاريب أكثر شعبية. والكثير من التطورات في المقراب العاكس تضمنت إتقان صنع مرآة قفطع مكافيء في القرن الثامن عشر، والمرايا الزجاجية المُبَطنة بالفضة في القرن التاسع عشر، وبطانات الألومنيوم طويلة الأجل في القرن العشرين، والمرآة المجزأة للسماح بقطرٍ أكبر، والبصريات النشطة للتعويض عن التشويه الناتج عن الجاذبية. كانت مقاريب الانعكاسية الانكسارية مثل تلسكوب شميدت، التي تَستخدم عدسة (لوحة تصحيح) ومرآة كعناصرٍ أساسية أحد ابتكارات منتصف القرن العشرين، والتي استخدمت بشكلٍ رئيسي في التصوير واسع المجال من دون انحرافٍ كروي.
وقد شهد أواخر القرن العشرين تطور البصريات المكيفة وبصريات نشيطة للتغلب على تاثيرات كثافة الجو واختلاف درجة حرارته مما يعقد الرؤية الفلكية. وكذلك لجأ العلماء إلى إرسال تلسكوبات إلى الفضاء للتصوير الفلكي بعيدا عن الغلاف الجوي للأرض، وجميعها يستخدم نظام المرآة المقعرة مثل تلسكوب هابل الفضائي الذي ارسل إلى مدار حول الأرض في عام 1996 ولا يزال يرسل إلينا بصوره الدقيقة. وأنواع عديدة أخرى من التلسكوبات وأدوات التصوير في المركبات الفضائية لتغطي الرصد الفلكي في حيز الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء.
الاعتبارات التقنية
مرآة أساسية مقعرة في شكل قطع مكافيء هي العنصر البصري الأساسي للمقراب العاكس وهي التي تخلق صورة عند المستوى البؤري. والمسافة بين المرآة والمستوى البؤري تسمى البعد البؤري. توجد كاميرا عادة عند البؤرة لتسجيل الصورة. بالإضافة إلى المرآة الرئيسية الكبيرة توجد في مواجهتها مرآة مقعرة أخرى صغيرة لعكس الاشعة في اتجاه المرآة الرئيسية، وتجمع الأشعة في بؤرة خلف الرآة الرئيسية. توجد في الرآة الرئيسية ثقب صغير لتمرير الأشعة المركزة في البؤرة حيث تستقبلها الكاميرا.
وتكون المرآة الأساسية في معظم المقاريب الحديثة مصنوعةً من مرآة مقعرة من الزجاج الصلب وقليل التمدد الحراري. يكون سطحها الأمامي مصقولاً ليصبح على هيئة قطع مكافيء (إذا كان سطح المرآة كرويا فلا نحصل على صورة واضحة). على سطح المرآتين توجد وطبقة رقيقة من الألومنيوم مرسبة فراغيًا على المرآة شديدة الانعكاس.
تستخدم بعض المقاريب مرايا رئيسية مصنوعة بشكلٍ مختلف. فيتم تدوير الزجاج الذائب لجعل سطحه مكافئًا، وتستمر في الدوران بينما تبرد وتتصلب. ويكون شكل المرآة الناتجة مقاربًا للشكل المكافئ المرغوب فيه مما يحتاج إلى أقل قدرٍ من الصقل والتلميع للوصول إلى الشكل المطلوب تمامًا.
الأخطاء البصرية
المقاريب العاكسة، مثلها مثل أي نظامٍ بصريٍ آخر، لا تُنتِج صورًا «مثالية». تعني الحاجة إلى تصوير الأشياء الموجودة على مسافاتٍ تصل إلى ما لا نهاية، ورؤيتها على موجاتٍ ضوئية مختلفة، جنبًا إلى جنب مع الحاجة إلى الحصول على طريقةٍ ما لرؤية الصور التي تُنتجها المرآة الأساسية، أن هناك دائمًا مساومة في التصميم البصري لمقرابٍ عاكس.
لأن المرآة الأساسية تركز الضوء إلى نقطة مشتركة أمام سطح انعكاسها، فمعظم تصاميم المقارب العاكسة لها مرآة ثانوية، وحامل للفيلم، أو مكشاف قريب جزئيًا من نقطة التركيز تلك؛ يعوق الضوء من الوصول إلى المرآة الأساسية. ولا يتسبب هذا في تقليل كمية الضوء التي يجمعها النظام، بل يتسبب أيضًا في فقدان تباين الصورة بسبب عوامل الحيود التي تسببها الإعاقة وأيضًا ارتفاع الحيود الذي تسببه معظم الهياكل الثانوية الداعمة.
إن استخدام المرايا يتجنب الزيغ اللوني ولكنه يُنتج أنواعًا أخرى من الزيغ. ولا يمكن لـمرآة كروية أن تأتي بالضوء من غرضٍ بعيد لتركيزٍ واحد، بما أن انعكاس الضوء الذي يصطدم بالمرآة حول حوافها لا يتقارب مع الانعكاسات المنعكسة من النقاط الأقرب لمركز المرآة، وهو الخلل الذي يطلق عليه الزيغ الكروي. ولتجنب تلك المشكلة، تستخدم معظم المقاريب العاكسة مرايا مكافئة الشكل، وهو الشكل الذي يمكنه تركيز كل الضوء على منطقة تركيزٍ بعينها. وتعمل المرايا المكافئة جيدًا مع الأشياء الموجودة بالقرب من مركز الصورة التي تنتجها، (الضوء المسافر موازٍ لـ المحور البصري للمرآة)، ولكنها تعاني من زيغ بُعد المحور عند البعد في اتجاه حواف نفس مجال الرؤية:
- الزغب - وهو زيغ يحدث حين تتركز نقطة المصادر (النجوم) عند مركز الصورة في نقطة، ولكنها عادةً ما تظهر «على شكل-المذنبات» كلطخات شعاعية، والتي تصبح أسوأ تجاه حواف الصورة.
- تقوس الحقل - إن أفضل مسطح للصور يكون غالبًا مقوسًا، مما قد لا يتطابق مع شكل المستشعر ويؤدي إلى خطأ في التركيز على المجال. ويتم أحيانًا معادلته بعدسة تسطيح المجال.
- اللابؤرية - وهي زيغ سمتي للتركيز حول الفتحة، مما يجعل صور النقاط البعيدة عن المحور تبدو وكأنها بيضاوية الشكل. قد لا تمثل اللابؤرية مُشكلةً شائعة في مجال الرؤية الضيق، ولكنها سرعان ما تصبح أكثر سوءًا عند الاستخدام مع مجالٍ أوسع للرؤية، وتختلف تربيعيًا مع زاوية المجال.
- التحرف - لا يؤثر التحرف على جودة الصورة (حدتها) ولكنه يؤثر على شكل الأشياء. ويتم معادلته أحيانًا عن طريق معاملة الصورة.
الاستخدام في الأبحاث الفلكية
تعد كل المقاريب الكبيرة للأبحاث الفلكية تقريبًا مقاريب عاكسة. ويرجع ذلك إلى العديد من الأسباب:
- عند استخدام العدسة يجب أن يكون حجم المادة كله خاليًا من الشوائب وعدم التجانس، في حين أنه يجب أن تكون المرآة عبارة عن سطحٍ واحدٍ فقط مُلمع على نحوٍ مثالي.
- تسافر الأضواء ذات الأطوال الموجية المختلفة في أي وسيطٍ غير التخلية بسرعاتٍ مختلفة. وهذا ما يسبب الزيغ اللوني في العدسات غير المصححة. وإن تصنيع عدسة كبيرة خالية من الزيغ، عملية مكلفة. ويمكن لمرآة أن تمحو هذه المشكلة نهائيًا.
- تعمل العواكس على طيف كهرومغناطيسي أوسع بما أن أطوال موجية معينة يتم امتصاصها حين تعبر خلال عناصر الزجاج مثل تلك الموجودة في عاكس أو انعكاسي انكساري.
- هناك مشاكل هيكلية ترتبط بالتصنيع والتلاعب في فتحات العدسات الكبيرة، وبما أنّ العدسة يمكن تثبيتها في مكانها فقط عند الحواف، فإن مركز العدسة العملاقة سوف ينحني بفعل عوامل الجاذبية، الأمر الذي سوف يؤدي إلى تشوه الصورة، ويبلغ حجم أكبر عدسة في المقراب الانكساري حوالي متر واحد، وعلى العكس، فإن المرآة يمكن أن يتم تثبيتها من الجانب الآخر للسطح العاكس كله، ويُعد هذا حلاً لمشكلة الانحناء التي تواجه المقارب العاكسة بسبب الجاذبية، ويتعدى طولُ قطرِ أكبر تصميمات العواكس حاليًا عشرة أمتارٍ.