DERS8: Optik ve Teleskopların Temelleri | Astronomi ve Astrofizik Dersleri

Astronomi ve Astrofizik Derslerinde daha ileri konulara gelmeden gökyüzünü ve derin uzayı keşfetmemize olanak tanıyan araçları tanımak ve işleyişlerini öğrenmek üzere önümüzdeki birkaç dersi bu konuya ayıracağız. Teleskop gökyüzünü gözlemlerken uzaydan gelen görünür ışığı ve elektromanyetik spektrumdaki diğer dalgaboylarındaki ışığı algılayıp gökbilimcilerin kullanımına sunan bir gözlem cihazıdır. Bir teleskobun işleyişi ise ışığın özelliklerini, davranışını ve madde ile olan etkileşimlerini inceleyen fizik biliminin bir alt dalı olan optik bilimine dayanır. Optik alanında çalışan bilim insanları sayesinde astronomi, mühendislik alanları, fotoğrafçılık ve tıp günümüz teknolojisine ulaşmış ve pratik uygulama alanlarına sahip olmuştur. Optiğin birer bileşeni olarak aynalar, mercekler, teleskoplar, mikroskoplar, laserler ve fiber optik gibi aygıtların kullanım alanları gündelik yaşantımızı önemli ölçüde etkilemiş ve etkilemeye devam etmektedir.

Optik Nedir ve Optik Temelleri

Optik, astronomi gibi kökeni çok uzun yıllar öncesine dayanan bir bilim dalı olarak karşımıza çıkmaktadır. Antik Mısırlıların ve Mezopotamyalıların mercekleri geliştirmeleriyle optik çalışmalarının başladığı kabul edilir. Sonra Asurlular, antik Romalı ve Yunanlılar farklı malzemeler kullanarak farklı mercekler yapmışlardır. Bu çalışmalarla birlikte daha o yıllarda geometrik optiğin gelişmiş, ışığın kırılması ve yansıması gibi olaylarla beraber görme algısının nasıl olduğu anlaşılmaya çalışılmıştır. 11. Yüzyılın başlarında yaşayan ve optiğin babası olarak görülen İbn-ül Heysem’in yayınladığı “Kitab al-manazir” yani Optik kitabı adı verdiği kitabında gözlem ve deneye dayalı ışığı ve görmeyi açıklayan yeni bir sistem öne sürdü. Aynı zamanda ışığın kırılması ve yansımasını inceledi. Bu kitabında Batlamyus’un benimsediği görmenin gözden çıkan ışınlar yoluyla oluştuğu düşüncesini reddetmiş ve optik alanındaki gelişmelerin önünü dikkate değer bir biçimde açmıştır. Geçen yıllar, yüzyıllar içerisinde çok sayıda gelişme yaşanırken 1595 yılında optik mikroskop ve 1608 yılında mercekli teleskop icat edilmiştir. Galileo’nun 1609 yılında geliştirdiği ve Galile teleskobu olarak bilinen teleskop tasarımı bir tür mercekli teleskoptur, türünün ilk örneklerindendir. 17. Yüzyılda ise Johannes Kepler mercekler, düzlem ve tümsek aynalarda yansıma ile iğne deliği kameraların ilkeleri üzerine yazdıklarıyla geometrik optiğin gelişimine önemli katkılarda bulundu. Bunların dışında ışığın şiddetinin ters-kare yasasına uyması, ay ve güneş tutulmaları ile astronomik ıraklık açısı gibi astronomik olayların optik açıklamalarını yapmasının yanı sıra kullandığı iki dışbükey mercekle yüksek büyütme sağlayan icat ettiği Kepler-tipi teleskop optik bilimine yaptığı diğer önemli katkılar olmuştur. Daha sonra Isaac Newton ışığın tanecik kuramını geliştirdi. Ardından, Christiaan Huygens ışığın dalga teorisini öne sürdü. 19. Yüzyılda ışığın girişimi üzerine yapılan deneyler ışığın dalga doğasına olan teorileri pekiştirdi. Thomas Young’ın ünlü çift yarık deneyi ışığın süperpozisyon ilkesine uyduğunu gösterdi. Bu deneyle birlikte ışığın kırınımına dair bir teori geliştirildi. 1860’lı yıllarda James Clerk Maxwell’in elektromanyetik teorisi ile dalga optiği başarılı bir şekilde birleştirildi. 1899 yılında Max Planck’ın karacisim ışımasını madde ve ışık arasındaki enerji alış verişini kuanta adı verilen ışığın küçük enerji paketlerine dayanarak modellemesi ışığın dalga teorisinin yükseldiği havayı tersine çevirdi. 1905 yılında Albert Einstein Planck’ın fikrini temel alarak fotoelektrik etkiyi açıkladı ve 1913 yılında Niels Bohr atomların sadece belirli ve kesikli miktarlarda enerji yayabileceğini gösteren bir atom modeli önermesi işleri değiştiriyordu. Artık kuantum mekaniği gelişiyor ve ışığın doğasını, madde ile etkileşimlerini inceleyen optiği de etkiliyordu. Böylelikle kuantum optiğin temelleri atılmış olundu. 1950’li yıllarda kuantum alan teorisindeki Paul Dirac’ın çalışmasından bu yana elektromanyetik alanın kuantum teorisine uygulanması hâlâ sürüyor.

Optiğin en iyi tanımının bu alanda yapılan çalışmaların oldukça kısa bir özetinin verilmesiyle yapılacağını düşündüm. Tüm bu çalışmaların odak noktasında ışığın olduğunu kolaylıkla görebilirsiniz. Öyleyse, optik temellerini ele alırken bu birikimin bize sağladığı ışığın doğası hakkındaki bilgilerimizi biraz tazeleyelim.

Bugünkü bilgimiz bize ışığın hem dalga hem de parçacık özelliklere sahip olduğunu söylüyor. Işık hem girişime uğrayabilir, bir dalganın gösterebileceği bir davranışa sahip olabilir, hem de bir metale çarpıp metalden elektronları sökebilir, bir parçacığın gösterebileceği bir davranışa sahip olabilir. Tüm bunlar bir yüzyıl kadar öncesinde tuhaf şeylerdi. Bugün ise bunun üzerine inşa ettiğimiz teknolojilerin sayısı her geçen gün giderek artıyor.

Işığın dalga olarak ilerleyiş mekanizması Huygens tarafından 1670 yılında tanımlanmıştır ve bugün Huygens İlkesi olarak bilinmektedir. Işık dalgası bu ilerleyişi sırasında farklı ortamlarla karşılaştığında kırılma denilen bir olay meydana gelmektedir. Çünkü ışık farklı ortamlarda farklı hızlarda yayılmaktadır. Işığın hızı olarak bildiğimiz yaklaşık 3×10⁸ m/s değeri ışığın vakumda, boşlukta ilerleyişinin hızıdır. Işık parçacıkları fotonlar, su veya cam gibi şeffaf malzeme ortamına girdiklerinde daha yavaş bir şekilde hareket ederler ve ayrıca hareketin yönü değişir. Hızdaki ve yöndeki bu değişim ışığın kırılması olarak adlandırılır.

Işığın kırılması olayı ilk teleskoplardan birinin temelini oluşturur. Galile teleskopu gibi mercekli teleskopların işleyişinin altında yatan temel ışığın kırılmasıdır. Işığın kırılması gibi bir de ışığın yansıması olayı vardır. Bu olay da daha gelişmiş olan yansıtıcı (aynalı) teleskopların işleyişinin temelini oluşturur. Işık ayna gibi bir malzeme ile karşılaştığında hareketini sürdüremez ve bunun yerine yansır. Bu yansımanın nasıl gerçekleşeceği ise ışığın aynaya yaklaşımına ve aynanın şekli ve yapısına bağlıdır. Yansıma ışığın geliş doğrultusuna yaptığı bir açıyla hareketinin değişmesiyle oluşur. Bu açı yansıma açısı olarak ifade edilir. Yansıma açısı da olayın oluş açısına eşittir.

Işığın kırınımı olayı ise başka bir temel optik konusudur. Işığın çok küçük bir yarıktan geçmesi ile ışığın bu yarıkla etkileşimi sonucu bazı aydınlık ve karanlık bandlar oluşur. Bu olay yine Huygens İlkesi’ne göre meydana gelir. Oluşan aydınlık ve karanlık bandların düzeni ışık ile yarığın yapısı ve şekline bağlıdır. Kırınımın meydana gelmesi için ışığın dalgaboyuna yakın ve daha küçük olan yarıktan, aralıktan veya bir engelin yakınından geçmesi gerekir. Bunun altında yatan şey ise ışığın yakınından geçtiği engelin veya yarığın etrafında bükülme (esneme) ve dağılma eğiliminde olmasıdır. Bulutların arasında batmakta olan Güneş ışığının nasıl dağıldığını hatırlayın, ışık bulutları oluşturan su damlacıklarıyla karşılaşır ve bu damlacıkların arasındaki boşluklardan ışık kırınıma uğrar. Kırınıma uğrayan ışık yoluna aydınlık, karanlık ve renkli saçaklar üreterek devam eder.

Yazımızın sonuna doğru değineceğimiz gibi, ışığın kırınımı teleskopların açısal çözünürlüklerini belirlemektedir.

Bu üç optik olayı üzerinden gelin teleskopların işleyişine kısaca değinelim.

Mercekli (Refraktör) Teleskoplar

Mercekli teleskoplar bir gökcisminin görüntüsünü oluşturmak için bir cam mercekteki ışığın kırılması olayını kullanır. Eğer merceklerin her iki tarafı dışbükey ise, paralel ışık demetleri bir noktada odaklanır. Merceklerden odak noktasına (focal point) olan uzaklık merceğin odak uzaklığı olarak adlandırılır.

Bir mercekli teleskop ise iki merceğe sahiptir: Büyük olan mercek objektif mercek olarak adlandırılırken küçük olanı ise göz merceği (öküler) olarak adlandırılır. Her ikisinin odak uzunluğu farklıdır. Objektif merceğin ve göz merceğinin odak uzunlukları sırasıyla “FO” ve “FE” şeklinde kısaltılır.

Teleskoplar uzaktaki cisimlerin ışığını toplayarak onları görebilmemizi sağlarken aslında o cisimlerden yakaladığı ışığa göre onları büyütmüş olur. Bundan dolayı teleskoplar bir büyütme gücüne (oranı) sahiptir. Bu büyütme gücü mercekli teleskoplarda, merceklerin odak uzaklıklarının birbirine oranı ile belirlenir. Bu durumda büyütme gücü şöyledir,

Büyütme gücü = FO/FE = Objektif merceğin odak uzunluğu/Göz merceğinin odak uzunluğu.

Gözlemlemek istediğimiz cismi daha yakından görmek için büyütme oranı artırılabilir, bunun için göz merceğini değiştirebilirsiniz. Daha küçük odak uzaklığına sahip bir göz merceği kullandığınızda gözlemlediğiniz cismi daha iyi görebilirsiniz. Ancak şunu da unutmayın, yüksek büyütme oranı altında gözlemlediğiniz cisme ait görüntünün kalitesi de bozulacaktır. Peki neden büyütme oranını göz merceği ile belirliyoruz? Çünkü objektif merceğin işlevi bir görüntü oluşturmak için ışığı toplamak ve odaklamaktır. Göz merceği cismin odak uzaklığına yakın konumlandığı için objektif merceğin topladığı ışıkla oluşan bu görüntüyü büyütebilir ya da küçültebilir.

Mercekli teleskoplarda ışığın toplanma gücü ise açık bir şekilde objektif merceğin çapına bağlıdır ve bu çapın karesi ile orantılıdır. Bir teleskobun önemi ışığı toplama gücü ile belirlenir. Daha büyük bir objektif merceği teleskobun kaynaktan daha fazla fotonu toplayabildiği anlamına gelir. Bu daha parlak ve daha detaylı bir görüntünün elde edilmesini sağlar. Aşağıda bununla ilgili bir karşılaştırma görebilirsiniz,

Mercekli teleskoplarda mercek kullanımının doğası gereği bazı problemlerle karşılaşılır. Bunlardan biri renk anormalliğidir. Kırmızı ve mavi ışık renkli haleler oluşturarak farklı yerlerde odaklanır. Bunun sebebi ise cam boyunca mavi ışığın aldığı yolun kırmızı ışığın aldığı yoldan farklı olmasıdır. Farklı türlerdeki camlardan yapılan bileşik mercekler kullanılarak bu problem düzeltilebilir. Farklı dalgaboylardaki ışık aynı ortamlarda farklı şekilde kırılır.

Bir başka karşılaşılan problem ise mercek bozukluğudur. Çünkü çok büyük cam merceklerin ağırlığından dolayı dayanıklılığı azalır ve bir bozulma eğilimi gösterirler. 1800’lerin sonunda yapılan en büyük mercekli ayna sırf bu sebepten dolayı sadece 1 metre çapındaydı.

Aynalı (Reflektör) Teleskoplar

Aynalı teleskoplar görüntü elde edilmesinde mercekli teleskoplardaki objektif mercek yerine çukur bir ayna kullanırlar. 8 metreden büyük tüm araştırma amaçlı teleskopların birer aynalı teleskop olduğunu söyleyebiliriz. Bu teleskoplarda ışığın bize ulaşması için ikinci bir aynanın kullanılması gerekir.

Aynalı teleskopların da kullanımları sırasında bazı problemlerle karşılaşılır. Parabolik bir yüzeyin bir noktaya odaklanması sebebiyle küresel anormallik oluşur. Çünkü küresel aynalar aynanın farklı kısımlarından farklı noktalardaki odağa giden bulanık bir görüntü oluşturan ışığa neden olur. Bu küresel anormalliği düzeltmek için bazı teleskoplar aynanın önüne düzeltici bir mercek eklenir. Bu problemle karşılaşan tanıdık bir teleskop da var. Uzun yıllardır evrenin uzak kısımlarından görüntüler sunan Hubble Uzay Teleskobu bir bilgisayar programlama hatasından dolayı küresel anormaliden muzdarip olmuştu. Düzeltici merceklerin eklenmesiyle birlikte bu problem aşılmıştı.

Optik teleskoplarda özelleştirilmiş ayna yapısına sahip ve mercekle birleştirilmiş bir başka tür daha var: Katadioptrik teleskoplar.

Optik teleskoplarda ışığın kırınıma uğrama sınırı çözünürlüğü belirlediğini yukarıda belirtmiştim. Şimdi bu konuya açıklık getirme zamanı.

Işığın dalga doğasından dolayı, ışık dalgaları bir teleskop açıklığı (aperture) gibi küçük bir alan boyunca geçtikleri zaman yayılırlar. Bu yayılma etkisi kırınım olarak adlandırılır. Mükemmel görme koşulları ve mükemmel optik söz konusu olursa, kırınımdan dolayı ayırt edilebilir en küçük açı,

θ=λ/Da ile ifade edilir.

burada λ ışığın dalgaboyu ve Da açıklığın çapıdır. θ ise açısal çözünürlüktür. Daha çok ayırma gücü olarak tanımlanan bu kavram Da gibi belli bir açıklığa sahip teleskobun elde edilen görüntüyü büyütmenin bir sınırı olduğunu söyler. Konuyu açıklığa kavuşturalım. Kırınım sınırı veya açısal çözünürlük olarak ifade edilen bu açı birbirine yakın iki kaynaktan (yıldızdır, gezegendir) gelen ışığın teleskobun açıklık çapı ve gözlemlenen ışığın dalgaboyuna bağlı olarak nasıl ayırt edilebileceğini belirler. Bu açı ne kadar küçük olursa teleskobun ayırma gücü de o kadar büyük olacaktır ki, teleskop daha ayrıntılı gözlem yapabilecektir. Başka bir deyişle, iki yıldız θ’dan daha yakın ise onların görüntüleri birbirine karışmış olacaktır. Bu iki yıldızın görüntüsünü birinin kırınım düzeninin maksimumu diğerinin ilk minimumu üzerine düştüğünde ancak ayırabiliriz. Bu koşul Rayleigh kriteri olarak adlandırılmaktadır. Bu yukarıdaki denklem tüm açıklık şekillerine göre uygun bir yaklaşım iken kırınım düzenin asıl büyüklüğü açıklığın biçimine bağlıdır. Dairesel açıklığa sahip teleskoplar için açısal çözünürlüğü elde etmek için bu denklemi 1.22 ile çarpmak yeterlidir.

O halde bir örnekle küçük bir açısal çözünürlük hesabı yapalım. Hubble Uzay Teleskobu’nun açıklık çapı 2.4 metredir. 500 nanometre olan görünür ışık dalga boyu ile görüntüler aldığını varsayalım. Öncelikle 500 nanometreyi cm’ye dönüştürüp 1.22 ile çarparız ardından da 2.4 metreyi cm’ye çevirerek bu değere böleriz. Bu durumda Hubble Uzay Teleskobu’nun açısal çözünürlüğü 0.05 ark saniyedir. Ark saniye 1 derecenin 60’a bölümünün 60’a bölünmüş halidir. 1 derece 60’a bölündüğünde ark dakika ve bir kez daha 60’a bölündüğünde ise ark saniye elde edilir. Astronomide Açılar başlıklı yazımızda en basit haliyle gökyüzüne tuttuğumuz elimizin en küçük parmağının yaklaşık 1 derecelik açıya karşılık geldiğini ifade etmiştik. Bu durumda 1 ark saniye bu 1 derecelik açının 3600’e bölümünden ibarettir. Kaldı ki 0.05 ark saniyeden bahsediyoruz, 1 dereceden çok ama çok küçük bir açı. Öyle ki Hubble Uzay Teleskobu bu ayırma gücüyle ve Dünya’dan 560 kilometre uzaklıktaki bir yörüngede olmasına rağmen yerküredeki bir insanı görebilir, bir sokak levhalarındaki sokak isimlerini ayırt edebilir. Yine de telefonunuzdaki mesajları okuyamaz, çünkü 560 kilometre uzaktan 14 cm çapa kadar olan cisimleri ayırt edebilir. Bu Hubble Uzay Teleskobu’nun ayırma gücünü ve açının önemini anlamamız için güzel bir örnektir.

Buraya kadar tamam da, teleskoplar genellikle bu kadar küçük açıları görmezler. Çünkü atmosferimiz rastgele bir şekilde ışığı kırar ve bu da görüntüde bulanıklığa yol açar. Bundan dolayıdır ki, teleskoplar yıldızdan gelen ışığın atmosfer boyunca daha az yol alması için sıklıkla yüksek dağların üst kısımlarında yer alırlar. Atmosferin bu olumsuz etkisini gidermek için Hubble Uzay Teleskobu gibi teleskopları atmosferin yukarısına çıkarmak da makul bir çözüm olabilir. Diğer bir çözüm ise optiği uyarlamak. Rehber bir yıldız ile objektif aynanın şeklindeki değişimi takip ederek atmosferin etkileri dengelenebilir.

Hazırladığımız Astronomi ve Astrofizik Dersleri yazı dizisinin ilerleyen bölümlerinde adlarını sıkça anacağımız dünyanın en büyük optik aynalı teleskoplarını (açıklık çapı 8 metreden büyük olanlar) listelemek istedim,

Kanarya Adaları’nda yer alan Gran Telescopio Canarias, GTC (Açıklık çapı 10.4 metre).
Hawaii’de yer alan ve iki birimden oluşan Keck Teleskopları (10 metre).
Texas’da yer alan Hobby-Eberly Teleskobu (10 metre).
Güney Afrika Büyük Teleskobu (9.2 metre).
Hawaii’de yer alan Subaru Teleskobu (8.2 metre).
Arizona’da yer alan Büyük Binoküler Teleskobu (8.4 metre).
Şili’de dört birimden oluşan Çok Büyük Teleskobu (8.2 metre).
Hawaii’de yer alan Gemini Kuzey Gözlemevi (8.1 metre).
Şili’de yer alan Gemini Güney Gözlemevi (8.1 metre).

Bu yazımızda optikten ve optik teleskoplardan bahsetmeye çalıştım. Optik teleskoplar elektromanyetik spektrumda görünür ışığı kullanarak bize gözlemlediğimiz cisimlerin görüntülerin elde edilmesinde yardımcı oluyordu. Ancak tüm kullandığımız teleskoplar bir optik teleskop türü değildir. Daha çok bilimsel araştırma amaçlı kullanılan diğer teleskop türleri elektromanyetik radyasyonun dalgaboyuna göre sınıflandırılırlar. Astronomi ve Astrofizik Dersleri yazı dizisinde sonraki dersimizde, dalgaboylarına göre sınıflandırılan teleskopları inceleyeceğiz. Son olarak şunu söylemeliyim, teleskopların nasıl çalıştığı, onlardan tüm dünyanın nasıl faydalandığı ve daha iyi teleskoplarla neler yapılabileceği topluma anlatılmadığı sürece, toplum bu tür teknolojilerin yaygınlaşmasının bir gereksinim olmadığının farkına varmayacaktır.

Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca

Referanslar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Optics
Marc L. Kutner, Astronomy: A Physical Perspective, Cambridge University Press, 2003
https://en.wikipedia.org/wiki/Refracting_telescope
https://www.staff.science.uu.nl/~gadda001/goodtheorist/files/louro_optics.pdf
https://sites.ualberta.ca/~pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect7/lecture7.html
http://www.olympusmicro.com/primer/lightandcolor/diffraction.html
http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/opt/mch/diff.rxml
http://www.telescope-optics.net/diffraction.htm
http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/diff_limit.htm
http://spiff.rit.edu/classes/phys312/workshops/w10c/telescopes/telescopes.html
https://www.spacetelescope.org/about/faq/
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_optical_reflecting_telescopes

*Ana görsel, Flickr user Ryan Wick.

Ders1: Astronomide Uzaklıklar
Ders2: Astronomide Açılar
Ders3: Işığın Doğası
Ders4: Yıldızların Renkleri ve Sıcaklıkları
Ders5: Planck Yasası
Ders6: Atomun Yapısı ve Atomların Kesikli Spektrumu
Ders7: Astronomide Kirchhoff Yasaları ve Yıldızların Spektrumu