De telescoop is ongetwijfeld het meest iconische instrument uit de geschiedenis van de wetenschap. Sinds Galileo Galilei in 1609 zijn zelfgebouwde kijker op de hemel richtte en de manen van Jupiter ontdekte, heeft dit instrument de manier waarop wij het heelal begrijpen fundamenteel veranderd. Voor de hedendaagse amateur astronoom en astrofotograaf is de keuze van een telescoop echter geen eenvoudige zaak. De markt biedt een duizelingwekkend aanbod van ontwerpen, en elk type heeft zijn eigen rijke geschiedenis, unieke eigenschappen en specifieke toepassingsgebieden. In dit artikel nemen we je mee door de fascinerende wereld van de astronomische telescoop.
De Refractor: de klassieke lenzentelescoop
De refractor, ook wel lenzenkijker of dioptrica genoemd, is het oudste type telescoop dat we kennen. De uitvinding ervan wordt doorgaans toegeschreven aan de Nederlandse brillenmaker Hans Lipperhey, die in 1608 patent aanvroeg op een instrument dat verre objecten dichterbij leek te brengen. Galileo Galilei hoorde over dit instrument en bouwde al snel zijn eigen, verbeterde versie waarmee hij in 1610 zijn baanbrekende ontdekkingen deed: de vier grote manen van Jupiter, de fasen van Venus, de bergen op de maan en de melkachtige band van sterren die we de Melkweg noemen. De vroege refractors leden echter aan een vervelend probleem: chromatische aberratie, ook wel kleurverstrooiing genoemd. Doordat een enkelvoudige lens licht van verschillende golflengten in verschillende brandpunten samenbrengt, verschenen er storende kleurfranjes rond heldere objecten. Astronomen van de zeventiende en achttiende eeuw probeerden dit probleem te omzeilen door telescopen met extreem lange brandpuntsafstanden te bouwen. De beroemde Huygens-telescoop had een brandpuntsafstand van maar liefst 37 meter. Men plaatste de lens op een mast of toren en had helemaal geen buisje; de waarnemer moest op de tast de juiste positie zoeken, wat het gebruik bijzonder omslachtig maakte.
De echte doorbraak kwam in 1758 toen de Engelse instrumentmaker John Dollond een achromatische dubbellenzen combinatie patenteerde. Door een convexe kronenlens te combineren met een concave flintlens konden twee golflengten van licht, doorgaans rood en blauw, in hetzelfde brandpunt worden samengebracht. Hierdoor werd chromatische aberratie drastisch verminderd en konden telescopen aanmerkelijk compacter worden gemaakt. In de negentiende eeuw werden grote refractors de koningen van de sterrenwacht. De Lick Observatory in Californië bezit nog steeds de op één na grootste refractor ter wereld, met een lensdiameter van 91 centimeter, gebouwd in 1888. De grootste refractor ooit gebouwd staat in het Yerkes Observatory in Wisconsin: een monster van 102 centimeter lensdiameter, voltooid in 1897. Sindsdien zijn er geen grotere refractors gebouwd, simpelweg omdat een lens aan beide zijden ondersteund moet worden terwijl een spiegel dat maar aan één kant hoeft, waardoor lenzen boven een bepaalde diameter doorbuigen onder hun eigen gewicht.
Optisch principe en eigenschappen van een refractor
Een refractor werkt door licht te breken via een of meerdere lenzen in de voorkant van de buis, het zogenaamde objectief. Dit licht wordt samengebracht in een brandpunt achter in de buis, waarna een oculair het beeld verder vergroot. Moderne refractors voor amateurs worden vrijwel uitsluitend gemaakt als achromatische of apochromatische uitvoeringen. Een achromatische refractor corrigeert voor twee golflengten en biedt uitstekende beeldkwaliteit voor visueel gebruik en breedband astrofotografie. Een apochromatische refractor, kortweg APO, corrigeert voor drie golflengten en biedt een vrijwel kleurvrij beeld dat geschikt is voor de meest veeleisende astrofotografie. APO-refractors maken gebruik van bijzondere glastypes zoals ED-glas (extra-lage dispersie), fluoritkristallen of speciaal gesmolten silicaglas. Deze materialen hebben een ongewone combinatie van brekingsindex en dispersie, waardoor kleursplitsing nagenoeg volledig kan worden geëlimineerd. Bekende producenten als Takahashi, William Optics, Astro-Physics en TeleVue bieden APO-refractors aan die tot het beste beschikbare instrumentarium voor amateur astrofotografie behoren.
De reflector: de kracht van de spiegel
De reflector of spiegeltelescoop heeft zijn oorsprong in het briljante brein van Isaac Newton. Al vroeg in zijn carrière realiseerde Newton zich dat chromatische aberratie inherent was aan het gebruik van lenzen: elke lens die licht breekt, splitst dat licht ook in zijn samenstellende kleuren. In 1668 construeerde Newton een telescoop die in plaats van een lens gebruik maakte van een hol parabolisch spiegeltje. Dit spiegeltje wierp het licht terug naar een plat secundair spiegeltje dat het beeld doortuurde naar een oculair aan de zijkant van de buis. Dit ontwerp, nog steeds bekend als de Newtonreflector, was een revolutie. Newtons eerste telescoopje had een spiegel van slechts 2,5 centimeter diameter, maar het toonde al meteen de potentie van het concept.
In de vroege jaren van de reflector werden spiegels gemaakt van een legering van koper en tin, het zogenaamde speculum-metaal. Dit materiaal was moeilijk te polijsten en oxideerde snel, waardoor de reflectiviteit al na korte tijd afnam. William Herschel, de ontdekker van Uranus in 1781, was een meester in het slijpen van speculum-spiegels en bouwde steeds grotere instrumenten. Zijn grootste telescoop had een spiegel van 122 centimeter en een buislengte van 12 meter; hij noemde het zijn "veertig-voetstelescoop". Na Herschel construeerde William Parsons, de derde graaf van Rosse, in 1845 op zijn landgoed in Ierland de zogenaamde Leviathan of Parsonstown, met een speculumspiegel van maar liefst 183 centimeter diameter. Met dit instrument observeerde hij voor het eerst de spiraalstructuur van nevels, waarvan we nu weten dat het sterrenstelsels zijn. De echte modernisering van de reflector begon in de tweede helft van de negentiende eeuw, toen men leerde om een dunne laag zilver chemisch neer te slaan op glas. Glazen spiegels zijn veel gemakkelijker te slijpen tot de gewenste parabolische vorm dan speculum-metaal, en een zilverlaag reflecteert tot 95% van het invallende licht, terwijl speculum-metaal slechts 60% of minder haalde. Later werd zilver vervangen door aluminium, dat minder goed reflecteert in het zichtbare licht maar niet oxideeert en daardoor de reflectiviteit veel langer behoudt. Moderne spiegels worden doorgaans besputterd met een laag aluminium en voorzien van een dunne beschermlaag van siliciumdioxide of magnesiumfluoride.
De Newtonreflector
De klassieke Newtonreflector bestaat nog steeds in vrijwel dezelfde vorm als Newton hem ontwierp, al is de optische kwaliteit uiteraard enorm verbeterd. Het ontwerp maakt gebruik van een parabolische primaire spiegel onderin de buis en een plat secundair spiegeltje dat het licht naar de zijkant afbuigt. De brandpuntsverhouding, de zogenaamde f-ratio, bepaalt in grote mate de karakter van het instrument. Een snelle f/4- of f/5-spiegel maakt een compacte, lichte telescoop die uitstekend geschikt is voor brede veldopnamen van uitgebreide nevels en sterrenstelsels. Een langzame f/8- of f/10-spiegel biedt een langer brandpunt dat gunstiger is voor planetaire waarnemingen. Het grootste voordeel van de Newtonreflector is de uitstekende verhouding tussen aperture en prijs. Voor relatief weinig geld is een spiegel van 200 of zelfs 300 millimeter te koop, openingen die bij refractors onbetaalbaar zouden zijn. Dit maakt de Newtonreflector bijzonder aantrekkelijk voor amateurs die diep de ruimte in willen kijken. Een nadeel is de noodzakelijke collimatie: de primaire en secundaire spiegel moeten nauwkeurig op elkaar zijn uitgericht voor een scherp beeld. Dit vereist enige ervaring, maar is na enige oefening snel gedaan. Verder is de open buis gevoelig voor temperatuurwisselingen en luchtstroming; men doet er goed aan de telescoop ruim van tevoren naar buiten te brengen zodat de spiegel kan acclimatiseren.
De Dobsoniaan: de democratisering van de aperture
Een bijzondere variant van de Newtonreflector verdient aparte vermelding: de Dobsoniaan. In de jaren zestig en zeventig van de twintigste eeuw ontwikkelde de Californische monnik en amateur astronoom John Dobson een eenvoudige, goedkope montage die hij combineerde met grote, zelfgemaakte spiegeltelescopen. Dobson verspreidde zijn kennis gratis via openbare lezingen en demonstraties, en zijn ontwerp sloeg enorm aan. De Dobsoniaan gebruikt een houten of metalen rokermontage waarbij de telescoopbuis om twee assen kan draaien, direct met de hand. Er zijn geen motoren, geen elektronica en geen ingewikkelde mechanismen nodig. Dit maakt het mogelijk om voor relatief weinig geld telescopen te bouwen of kopen met spiegels van 30, 40 of zelfs 50 centimeter diameter. In de amateur astronomie wordt weleens gezegd dat de Dobsoniaan de toegang tot grote openingen "gedemocratiseerd" heeft. Met een 40-centimeter Dobsoniaan onder een donkere hemel kan een amateur structuren in sterrenstelsels zien die voorheen alleen voor professionele sterrenwachten waren weggelegd. Grote Dobsonianen zijn echter minder geschikt voor astrofotografie vanwege het ontbreken van een nauwkeurige motorische volgbeweging, hoewel moderne GoTo-Dobsonianen met computergestuurde motoren dit enigszins compenseren.
De Cassegraintelescoop en zijn varianten
Terwijl Newton zijn reflector uitwerkte, dacht de Franse priester Laurent Cassegrain in 1672 na over een alternatieve spiegelconfiguratie. In zijn ontwerp valt het licht op een grote parabolische primaire spiegel die een gat in het midden heeft. Het licht wordt teruggekaatst naar een kleine convexe hyperbolische secundaire spiegel die het licht vervolgens terugkaatst door het gat in de primaire spiegel naar een oculair achter in de buis. Dit compacte ontwerp met de lange effectieve brandpuntsafstand, gecombineerd met de korte fysieke buislengte, maakte het Cassegraintelescoop aantrekkelijk voor sterrenkundigen. Toch bleef het ontwerp eeuwenlang een curiositeit doordat de fabricage van hyperbolische spiegels zo moeilijk was. De echte opleving van het Cassegrain-ontwerp kwam in de twintigste eeuw met de introductie van de Schmidt-Cassegrain en de Maksutov-Cassegrain, twee varianten die de praktische bezwaren van het klassieke Cassegrainontwerp grotendeels oplosten.
De Schmidt-Cassegrain
In 1930 bedacht de Estisch-Duits-Zweedse opticus Bernhard Schmidt een ingenieuze oplossing voor het probleem van sferische aberratie in grote, snelle spiegeltelescopen. Door een dun, subtiel gebogen correctiescherm van glas voor in de buis te plaatsen, kon hij een sferische primaire spiegel gebruiken in plaats van de veel moeilijker te fabriceren parabolische spiegel. Schmidt's ontwerp was in eerste instantie bedoeld als fotografische camera voor brede hemelvelden, maar later combineerde men zijn correctiescherm met een Cassegrainachtige configuratie om de Schmidt-Cassegrain telescoop te creëren, dikwijls afgekort als SCT. Het Amerikaanse bedrijf Celestron bracht in de jaren zestig de eerste betaalbare massa-geproduceerde Schmidt-Cassegrain telescopen op de markt, en dit was een mijlpaal in de amateur astronomie. Plotseling was een compacte telescoop met een effectieve brandpuntsafstand van 2000 millimeter of meer beschikbaar voor een brede markt. De SCT heeft een f-ratio van doorgaans f/10 in zijn basisvorm, maar met een speciale reducer-corrector is deze te verlagen naar f/6.3 of zelfs f/5 voor breedveldopnamen. Omgekeerd kan men met een Barlow-lens of een speciale focal extender de effectieve brandpuntsafstand verder verlengen voor planeetfotografie. De populariteit van de SCT bij amateur astrofotografen is enorm. Het compacte ontwerp maakt transport gemakkelijk; een 8-inch SCT past gemakkelijk in de kofferbak van een auto. De lange effectieve brandpuntsafstand is ideaal voor het fotograferen van planeten en compacte deepsky-objecten zoals bolvormige sterrenhopen en planetaire nevels. Tot de nadelen behoort het zogenaamde mirror shift, een lichte beweging van de primaire spiegel wanneer men de focussering aanpast doordat de primaire spiegel voor focussering langs de hoofdas beweegt. Dit kan bij nauwkeurige astrofotografie problemen geven, maar moderne SCTs hebben dit probleem grotendeels verholpen, en een externe focusser is een populaire oplossing.
De Maksutov-Cassegrain
Tegelijk met de opkomst van de Schmidt-Cassegrain werd ook de Maksutov-Cassegrain populair, vernoemd naar de Russische opticus Dmitri Dmitriyevich Maksutov die het ontwerp in 1944 publiceerde. In plaats van het ingewikkeld gevormde Schmidt-correctiescherm gebruikt de Maksutov een dik, sterk gebogen meniscusscherm dat alle aberraties corrigeert. Dit scherm is veel gemakkelijker te fabriceren dan het Schmidt-scherm, terwijl de optische prestaties minstens zo goed zijn. Een kenmerkend detail van de Maksutov-Cassegrain is dat de secundaire spiegel vaak niet apart is, maar simpelweg een gealuminiseerde ronde vlek op de binnenkant van het meniscusscherm. Dit maakt het ontwerp zeer robuust en onderhoudsvriendelijk; er valt vrijwel niets te collimeren. Maksutov-telescopen staan bekend om hun uitzonderlijk scherpe, contrastrijke beelden en zijn bijzonder geliefd voor planetaire waarnemingen en heldere deepsky-objecten. Ze hebben doorgaans een lange brandpuntsverhouding van f/12 tot f/15, wat ze minder geschikt maakt voor brede veldopnamen maar uitstekend voor hoge vergrotingen. Bekende fabrikanten zijn Meade, Celestron en het Russische Intes-Micro, dat Maksutovs van bijzonder hoge kwaliteit produceert.
De Ritchey-Chrétien
Voor wie het beste van het beste zoekt in de deepsky astrofotografie is er de Ritchey-Chrétien, een variant van het klassieke Cassegrainontwerp met hyperbolische primaire en secundaire spiegels. Dit ontwerp, ontwikkeld door George Ritchey en Henri Chrétien in de vroege twintigste eeuw, biedt een vlak beeldveld zonder coma over een brede beeldhoek, een eigenschap die het uitermate geschikt maakt voor fotografie. De beroemde Hubble Space Telescope is een Ritchey-Chrétien, en ook de meeste grote professionele grondtelescopen gebruiken dit ontwerp. Voor amateurs zijn er tegenwoordig betaalbare Ritchey-Chrétien telescopen beschikbaar, hoewel ze altijd duurder zijn dan vergelijkbare SCT's. Ze vereisen een nauwkeurige collimatie en een goede focusser, maar belonen de gebruiker met uitzonderlijk vlakke, coma-vrije beeldvelden.
Catadioptische systemen: Het beste van twee werelden
De term catadioptrisch verwijst naar optische systemen die zowel lenzen als spiegels gebruiken. De Schmidt-Cassegrain en Maksutov-Cassegrain die we hierboven bespraken vallen technisch gezien ook in deze categorie, maar er zijn nog andere catadioptische ontwerpen die vermeld verdienen te worden. De Schmidt-Newtonian combineert het Schmidt-correctiescherm met een Newtonconfiguratuur, resulterend in een compacte, snelle telescoop met uitstekende aberratiecorrectie over een breed beeldveld. Dit ontwerp is geliefd bij astrofotografen die zowel compactheid als een snelle f-ratio zoeken voor brede nebulafotografie. De Herschel-Newtonian en de Corrected Dall-Kirkham, ook wel CDK, zijn andere populaire varianten die vooral in de professionelere amateur astronomie worden gebruikt.
Speciale zonnekijkers
Geen bespreking van telescoopsoorten is volledig zonder de speciale zonnekijker. De zon is het enige object aan de hemel dat met het blote oog en met een gewone telescoop levensgevaarlijk is om te observeren; één onoplettend moment kan permanent oogletsel of blindheid veroorzaken. Voor veilige zonneobservatie in wit licht worden speciale zonnefilterschermen gebruikt die voor op de telescoop worden geplaatst en het zonlicht met een factor van honderdduizend of meer verzwakken. Populaire materialen zijn Baader AstroSolar-folie en glazen ND5-filters van fabrikanten zoals Thousand Oaks. Nog interessanter voor de amateurfotograaf zijn de zogenaamde H-alfa zonnekijkers. De zon zendt op de golflentge van 656,28 nanometer, de zogenaamde waterstof-alfa lijn, een rijke hoeveelheid details uit die in wit licht onzichtbaar zijn: protuberanties langs de rand, filamenten op de schijf, fackels en het gedetailleerde structuurpatroon van de chromosfeer. Speciale H-alfa telescopen zoals die van Coronado en Lunt bevatten een uiterst nauwbandige etalon filter die alleen een piepsmalle band van slechts 0,1 tot 0,7 Ångström rond de H-alfa lijn doorlaat. De beelden die zo worden verkregen zijn adembenemend en uniek; het lijkt alsof de zon ineens een volledig nieuw gezicht toont. H-alfa zon telescopen zijn echter kostbaar; een instapmodel kost al snel vijfhonderd euro, en een topkwaliteit instrument met een brede opening kan tienduizenden euro's kosten.
Voorbeeld van een 152mm Lunt zonnetelescoop - Foto: Lunt
De montering: onmisbaar fundament
Al is de montage strikt gezien geen onderdeel van het optische systeem van de telescoop, toch is ze zo bepalend voor het gebruik dat ze hier niet onbesproken kan blijven. Er zijn twee hoofdtypen: de altazimutmontage en de equatoriale montage. De altazimutmontage, die om een verticale en een horizontale as draait, is de eenvoudigste en goedkoopste. Ze is intuïtief in gebruik en stabiel, maar voor astrofotografie met lange sluitertijden is ze ongeschikt: de hemel draait om de poolsterlichtas, niet om de twee loodrechte assen van een altazimutmontage, waardoor sterren bij lange belichtingen als streepjes in het beeld verschijnen. De equatoriale montage heeft één as, de rechte klimlaas of polaire as, die parallel aan de aardsrotatieas is gericht. Door deze as met één motor te laten draaien kan de telescoop de dagelijkse beweging van de sterren nauwkeurig volgen. Dit is essentieel voor astrofotografie. De traditionele parallactische montage is mechanisch echter zwaarder en moeilijker in te stellen dan een altazimutmontage. Een compromis biedt de moderne alt-az GoTo-montage met een planetoïde koppeling, waarbij software de twee assen synchroon aandrijft om het effectief draaiende beeldveld te compenseren, al blijft dit een benadering en is het minder geschikt voor zeer lange belichtingen dan een echte equatoriale montage.
