Mercek mi, ayna mı?

Kanca

Şili'nin Atacama Çölü'nde, üç bin metreyi aşan bir dağın tepesinde dünyanın en büyük optik teleskobu inşa ediliyor. Işığı toplayacak ana parçası otuz dokuz metre çapında olacak. Bu, kocaman bir cam parçası değil. Yan yana dizilecek yedi yüz doksan sekiz altıgen ayna parçasından oluşan dev bir mozaik.

Dünyanın en büyük teleskoplarında mercek yok. Galileo'nun teleskobunun kalbi bir cam mercekti; bugünün dev teleskoplarının kalbi ise ayna. Bu değişimin arkasında hem fizik hem de mühendislik var.

Merkezi soru

Mercekli ve aynalı teleskoplar ışığı nasıl toplar, her birinin üstünlükleri ve zayıflıkları nelerdir ve büyük teleskoplar neden aynayı seçti?

Anlatım

Işığı bükmek: mercekli teleskop

Ders 8.1'de teleskobun ön tarafındaki objektifin ışığı bir odakta topladığını gördük. Objektif bir mercekse, bu teleskoba mercekli teleskop (refractor) denir. Mercek, bir gözlük camı gibi ışığı içinden geçerken büker. Ortası kenarlarından kalın olan bir mercek, kendisine paralel gelen ışınları arkasındaki bir noktada birleştirir.

Mercekli teleskobun güzel yanları vardır. Tüpü kapalıdır, içine toz girmez, ayarı kolay kolay bozulmaz. Işığın yolunda hiçbir engel olmadığı için görüntüleri çok keskin ve kontrastlıdır. Bu yüzden Ay ve gezegen gözlemi için çok sevilir.

Renklerin ayrı yerlerde toplanması

Ama merceğin bir sorunu var. Ders 6.2'de gördüğümüz gibi beyaz ışık birçok rengin karışımıdır. Bir cam prizma bu renkleri birbirinden ayırır, çünkü cam her rengi farklı ölçüde büker: mavi ışık kırmızıdan daha çok bükülür. Mercek de bir tür prizmadır. Bu yüzden basit bir mercek mavi ışığı biraz daha yakında, kırmızıyı biraz daha uzakta odaklar.

Sonuçta parlak bir yıldızın ya da Ay'ın kenarının çevresinde renkli, bulanık halkalar belirir. Bu kusura renk sapması (chromatic aberration) denir. Gözlükçüler sonradan iki farklı cam türünden yapılmış mercekleri üst üste koyarak bu sorunu büyük ölçüde azaltmayı öğrendiler, ama tamamen yok etmek kolay değildir.

Işığı yansıtmak: aynalı teleskop

Isaac Newton, beyaz ışığın renklerden oluştuğunu kendi prizma deneyleriyle göstermişti. Bu yüzden merceklerin renkleri ayrı yerlerde odaklayacağını da anlamıştı. Çözüm olarak ışığı bükmek yerine yansıtan bir teleskop tasarladı ve ilkini 1668'de kendi elleriyle yaptı. 1671'de yaptığı ikinci model, Londra'daki Royal Society'ye gösterildi ve bugün hâlâ orada korunuyor.

Aynalı teleskopta (reflector) objektif, çukur biçimli bir aynadır. Tüpün dibine yerleştirilen bu ana ayna, gelen ışığı yansıtarak önündeki bir odakta toplar. Newton, odağa ulaşmadan önce ışığı küçük ve eğik bir ikinci aynayla tüpün yanına yönlendirdi; gözlemci teleskoba yandan bakar. Ayna ışığı yansıtırken renklere ayırmaz, çünkü her renk aynı açıyla yansır. Aynalı teleskoplarda renk sapması yoktur.

Neden büyük teleskoplar ayna kullanır?

Mercekli teleskobu büyütmeye çalışan biri hemen engellere takılır. Işık merceğin içinden geçtiği için camın her noktası kusursuz, kabarcıksız ve eşit olmak zorundadır; metre boyunda böyle bir cam dökmek son derece zordur. Mercek yalnızca kenarlarından tutulabilir, ortası boşta kalır; büyük bir mercek kendi ağırlığıyla sarkar ve biçimi bozulur. Kalınlaştıkça cam, içinden geçen ışığın bir kısmını da emer.

Aynada ise bu sorunlar ya yoktur ya da çok küçüktür. Işık aynanın içinden geçmez, yalnızca yüzeyinden yansır. Bu yüzden yalnızca yüzeyin kusursuz olması yeterlidir. Ayna arkasından, yüzlerce noktadan desteklenebilir ve sarkmaz. Üstelik tek bir büyük ayna yerine birçok parça yan yana dizilebilir.

Dünyanın en büyük mercekli teleskobu, 1897'de açılan ABD'deki Yerkes Gözlemevi'ndeki yaklaşık bir metre çaplı mercekli teleskoptur ve bu boyut bir yüzyılı aşkın süredir aşılamadı. Aynalı teleskoplar ise bugün on metreyi geçti. Avrupa Güney Gözlemevi'nin Şili'de yaptığı Aşırı Büyük Teleskop'un ana aynası otuz dokuz metre çapında olacak ve yedi yüz doksan sekiz parçadan oluşacak.

İkisinin karışımı

Bazı teleskoplar, mercek ve aynayı birlikte kullanır. Önlerinde ince bir düzeltici cam, arkalarında bir ayna bulunur. Bu tasarımlar ışık yolunu tüpün içinde katlayarak uzun bir odak uzaklığını kısa bir tüpe sığdırır. Taşıması kolay oldukları için amatör gözlemciler arasında yaygındırlar.

Aslında…

Mercekli teleskoplar yine de değersiz değildir. Küçük boyutlarda keskin ve kontrastlı görüntüleri ve bakım gerektirmemeleriyle, özellikle Ay ve gezegen gözleminde tercih edilir.

Büyük resim

Newton'un küçük aynası, gökbilimin gelecekteki yönünü belirledi. Aynalı teleskoplar boyut sınırını ortadan kaldırdı ve açıklık yüzyıllar içinde santimetrelerden onlarca metreye çıktı. Uzaya gönderilen teleskoplar da aynalıdır; James Webb Uzay Teleskobu'nun aynası, katlanarak roketin içine sığdırılan parçalardan oluşur.

Mercek ile ayna arasındaki seçim, bilimde sık görülen bir durumu gösterir: bir sorunu çözmenin yolu bazen mevcut aracı iyileştirmek değil, bambaşka bir araca geçmektir. Newton, merceği düzeltmeye çalışmak yerine ışığı bükmeyi tamamen bıraktı.

Özet

1. Mercekli teleskop ışığı bir mercekle bükerek, aynalı teleskop ise çukur bir aynayla yansıtarak odakta toplar.
2. Mercek her rengi farklı ölçüde büktüğü için renk sapması yaratır; ayna her rengi aynı açıyla yansıttığı için bu kusuru taşımaz. Newton ilk aynalı teleskobu 1668'de bu yüzden yaptı.
3. Büyük mercekler kendi ağırlığıyla sarkar ve ışığı emer; aynalar arkadan desteklenebilir ve parçalardan yapılabilir. Bu yüzden en büyük mercekli teleskop yaklaşık bir metrede kalırken, aynalı teleskoplar onlarca metreye ulaştı.

Görev

Quiz

1. Mercekli ve aynalı teleskop arasındaki temel fark nedir?
2. Renk sapması nedir ve neden merceklerde görülür?
3. Newton aynalı teleskobu neden yaptı?
4. Büyük teleskoplarda mercek yerine ayna kullanılmasının üç nedeni nedir?
5. Mercekli teleskopların hangi üstünlükleri vardır?

Cevaplar

1. Mercekli teleskop ışığı bir mercekle bükerek, aynalı teleskop çukur bir aynayla yansıtarak odakta toplar.
2. Farklı renklerin farklı noktalarda odaklanmasıdır; cam her rengi farklı ölçüde büktüğü için mercek bir prizma gibi davranır ve parlak cisimlerin çevresinde renkli halkalar oluşur.
3. Merceklerin renkleri ayrı yerlerde odaklayacağını anladığı için ışığı bükmek yerine yansıtan, renk sapması olmayan bir teleskop tasarladı.
4. Büyük mercekler kendi ağırlıklarıyla sarkar, camın her noktası kusursuz olmak zorundadır ve kalın cam ışığı emer; aynalar ise arkadan desteklenebilir, yalnızca yüzeyleri önemlidir ve parçalardan yapılabilir.
5. Tüpleri kapalıdır, bakım gerektirmezler ve ışığın yolunda engel olmadığı için keskin, kontrastlı görüntüler verirler; özellikle Ay ve gezegen gözleminde tercih edilirler.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Teleskobun gücünü açıklığın belirlediğini gördük. Ama mağazalardaki teleskop kutularının üzerinde çoğu zaman açıklık değil, büyük harflerle yazılmış bir büyütme sayısı durur: "500 kat!", "600 kat!". Bu sayılar ne anlatıyor ve bir teleskobun kutusunda gerçekten hangi bilgilere bakmak gerekir?