Teknologi Teleskop: Dari Refraktor Abad Ke-17 hingga Optika Presisi Modern

Latar Belakang

Teleskop adalah instrumen optik yang dirancang untuk menangkap gambar objek langit yang jauh. Jenis paling umum adalah teleskop optik, yang memfokuskan cahaya visibel menggunakan serangkaian lensa (refraktor) atau cermin lengkung (reflektor). Selain cahaya visibel, astronom menggunakan teleskop radio, X-ray, dan panjang gelombang spesifik lainnya, mulai dari lorgat kardus sederhana hingga array radio yang meluas sepanjang mil.

Teleskop refraktor pertama yang terdokumentasi dibuat oleh pembuat kacamata Belanda Hans Lippershey pada 1608, yang secara tidak sengaja mengamati objek jauh melalui dua lensa yang berjarak. Dia menamainya kijker ("pengamat") dan bermaksud untuk penggunaan militer. Pada 1609, astronom Italia Galileo Galilei membuat teleskopnya sendiri dan menjadi pertama melakukan pengamatan astronomi dengannya. Teleskop terbesar Galileo mengukur sekitar 47 inci (120 cm) panjang dan 2 inci (5 cm) diameter. Astronom berikutnya seperti Johannes Kepler di Jerman dan Christian Huygens di Belanda mengembangkan desain teleskop selama abad ke-17, menghasilkan instrumen yang semakin besar dan kuat. Pada akhir abad 1600, beberapa teleskop melebihi 197 kaki (60 m) panjang, memerlukan pemasangan permanen.

Saat diameter teleskop tumbuh, pembuat kacak sulit menghasilkan lensa yang dapat memfokuskan semua warna cahaya tanpa aberrasi kromatik—distorsi yang memburamkan gambar karena panjang gelombang berbeda fokus pada titik berbeda. Tidak dapat mengatasi masalah ini dengan lensa, ilmuwan beralih ke cermin lengkung. Pada 1663, matematika Skotlandia James Gregory memperkenalkan teleskop reflektor pertama. Desain Isaac Newton 1668 dan versi astronom Prancis Nicolas Cassegrain 1672 diikuti, dan ketiga konfigurasi ini masih digunakan saat ini. Reflektor awal menggunakan cermin logam yang dipoles, campuran tembaga-timah-arsenik Newton hanya mencerminkan sekitar 16 % cahaya insiden; lapisan aluminiun modern mendekati 100 % refleksi.

Aberrasi kromatik dapat dikurangi pada abad ke-18 dengan menggunakan lensa anachromat—pasangan kaca yang dibentuk khusus dari dua bahan berbeda. Namun, baru pada awal abad 1800 ilmu pembuatan kaca cukup maju untuk menghasilkan lensa tersebut dalam skala besar. Pada akhir abad ke-19, refraktor dengan lensa hingga satu meter diameter dibangun, dan ini tetap menjadi teleskop refraktor terbesar yang beroperasi. Pada abad ke-20, kemajuan dalam pembuatan cermin mengalihkan dominasi kembali ke reflektor, yang mengarah pada teleskop optik kelas dunia saat ini dengan cermin hingga 19 kaki (6 m) diameter.

Bahan Baku

Sistem optik teleskop—lensa dan/atau cermin—memerlukan kaca optik yang sangat murni. Bahan inti adalah dioksida silikon dengan kotoran di bawah 0.1 %. Kaca optik dikategorikan menjadi kaca crown, yang mengandung oksida bor, natrium, kalium, barium, dan seng, dan kaca flint, yang termasuk oksida timbal. Lapisan anti-refleksi pada lensa biasanya fluorida magnesium.

Cermin dapat dibuat dari kaca yang sedikit kurang murni dari yang digunakan untuk lensa, karena cahaya tidak melewatinya. Pyrex—yang terdiri dari dioksida silikon, oksida bor, dan oksida aluminiun—sering digunakan karena kekuatannya dan stabilitas termal. Lapisan refleksi biasanya aluminiun, dilindungi oleh lapisan tipis dioksida silikon.

Komponen perangkat keras yang langsung mendukung sistem optik dicetak dari baja atau campuran baja-seng. Bagian non-kritis dapat dibuat dari bahan ringan dan hemat biaya seperti aluminiun atau plastik ABS.

Proses Pembuatan

Making the hardware components

• 1. Bagian logam diproduksi menggunakan mesin standar seperti bor dan bor.
• 2. Komponen plastik ABS—biasanya badan luar teleskop—dibuat melalui injeksi, di mana plastik cair dipaksa ke dalam cetakan, didinginkan, dan dikeluarkan.

Making optical glass

• 3. Produsen mencampur bahan baku dengan cullet (kaca daur ulang jenis yang sama) untuk menurunkan suhu pelehuran.
• 4. Campuran dipanaskan di tungku hingga sekitar 2550 °F (1400 °C) hingga cair sepenuhnya.
• 5. Suhu dinaikkan ke sekitar 2820 °F (1550 °C) untuk mengeluarkan gelembung udara, lalu cairan diaduk dan dituang ke cetakan berbentuk lensa saat mendingin ke sekitar 1830 °F (1000 °C).
• 6. Setelah mendingin hingga ~570 °F (300 °C), kaca dipanaskan kembali ke 1020 °F (550 °C) untuk melepaskan stres internal—proses yang disebut annealing—sebelum mencapai suhu ruang. Hasilnya disebut blanks.

Making the lenses

Blanks melalui tiga langkah utama: pemotongan, penggilingan, dan pengkilapan. Cermin dibentuk secara identik hingga lapisan refleksi diterapkan.

• 7. Pemotong berkecepatan tinggi dengan pisau berlian—disebut curve generator—mengikis permukaan lensa untuk mendekati kelengkungan yang diinginkan. Setiap lensa diperiksa dengan sférometer; jika perlu, dipotong ulang. Waktu pemotongan bervariasi dari menit hingga lebih dari setengah jam, tergantung pada jenis kaca dan geometri lensa.
• 8. Beberapa blank dipasang pada blok lengkung, menyelaraskan permukaannya sebagai satu permukaan bola. Alat penggiling besi cor ditekan padanya saat blok berputar. Slurry yang berisi air, abrasif karbida silikon, pendingin, dan surfactant mengalir antara alat dan blok. Ahli optik mengatur kecepatan putaran, tekanan, dan komposisi slurry untuk mencapai bentuk sasaran. Lensa diperiksa kembali dengan sférometer; tahap penggilingan dapat memakan waktu satu hingga delapan jam.
• 9. Mesin pengkilapan menggunakan alat pekat—bahan yang berasal dari sisa batubara atau dekatran kayu, sering dicampur dengan liau sadu dan merah perak—untuk mengkilapkan lensa. Slurry sekarang mengandung bubuk dioksida serium halus. Pengkilapan dapat memakan waktu setengah jam hingga lima jam. Lensa akhir diperiksa secara optik dan dikilapkan ulang jika diperlukan.

Applying coatings

• 10. Cermin menerima lapisan aluminiun tipis dan halus melalui evaporasi vakum, dengan permukaan lensa yang bermuatan negatif menarik ion aluminiun yang bermuatan positif. Lapisan pelindung dioksida silikon melindungi lapisan, sementara fluorida magnesium memberikan sifat anti-refleksi pada lensa. Optik selesai diperiksa, diberi label dengan tanggal pembuatan dan nomor seri, dan disimpan hingga rangkaian.

Assembling and shipping the telescope

• 11. Teleskop dirangkaian secara manual di baris rangkaian, dengan perangkat keras, lensa, dan cermin dipasang bersama. Kemudian dikemas dalam busa polistiren, dicetus dalam kotak kardus, dan dikirim ke eceran atau pelanggan.

Quality Control

Presisi lensa dan cermin adalah hal terpenting. Selama pemotongan dan penggilingan, dimensi diukur dengan busur vernier—mekanik atau elektronik—untuk memastikan toleransi dalam ±0.0008 in (20 µm) untuk sebagian besar lensa, dan ±0.00004 in (1 µm) untuk cermin datar.

Kelengkungan dinilai dengan sférometer, alat yang memiliki tiga pin yang mengukur jari-jari permukaan melalui skala terkalibrasi. Pengujian optik—seperti autokolimasi—mengukur akurasi fokus di lingkungan gelap, menggunakan sumber titik intensitas rendah dan grating difraksi untuk menentukan titik fokus yang benar. Untuk ketegaklincahan, cincin Newton diamati dengan menempatkan lensa referensi datar di atas lensa uji pada kain hitam hitam; cincin yang lurus dan teratur menunjukkan ketegaklincahan yang tepat.

The Future

Meskipun teknik pembuatan lensa dan cermin dasar telah matang, teknologi lapisan tetap menjadi perbatasan. Lapisan baru dapat melindungi cermin lebih lanjut dan mengurangi kerugian refleksi pada lensa. Selain itu, integrasi elektronik berjanji merevolusi astronomi amatur: teleskop masa depan mungkin memiliki sistem pemandu komputer bawaan untuk akuisisi dan pelacakan target otomatis, serta kamera video yang dapat dilepas untuk menangkap peristiwa langit waktu nyata seperti gerhana bulan dan gerakan planet.