¿Cómo nació el telescopio moderno?

Es posible darles forma de esferas por diversos métodos: hendiéndolos, golpeándolos, y/o puliéndolos; esto elimina los bordes agudos y redondea la superficie. La disección de un cristal comienza por hallar una falla. La creación de media esfera (o segmento de cristal) genera dos superficies diferentes. La luz es recogida por la cara convexa y proyectada hacia un punto de convergencia por la cara plana.

Como los segmentos de cristal tienen curvas pronunciadas, el punto focal puede estar muy cercano al propio cristal. Debido a las cortas distancias focales, los segmentos de cristal resultan en mejores microscopios que telescopios.

No fue el segmento de cristal, sino la lente de vidrio la que hizo posible al telescopio. Las lentes convexas son el producto de un vidrio pulido de cierta forma para corregir la presbicia.

Aunque tanto los lentes de visión como los segmentos de cristal son convexos, los lentes para presbicia tienen curvas menos pronunciadas. Los rayos de luz se ven desviados ligeramente de la paralela. A causa de esto, el punto en que se forma la imagen está mucho más lejos de la lente. Esto genera una escala imagen lo suficientemente grande como para la inspección humana.

El primer uso de lentes para aumentar la visión puede ser rastreado hasta el Medio Oriente del siglo XI. Un texto arábigo (“Tesauro Óptico”, escrito por el científico y matemático Al-hazen) muestra que los segmentos de bolas de cristal podían ser usados para magnificar objetos pequeños.

A fines del siglo XIII, se dice que un monje inglés (que probablemente se basó en la “Perspectiva” escrita por Roger Bacon en 1267) creó los primeros lentes de foco cercano para ayudarse a leer la Biblia.

No fue hasta 1440 en que Nicolás de Cusa pulió la primera lente para corregir la miopía (1). Y pasarían otros cuatro siglos antes de que los defectos de forma de la propia lente (el astigmatismo) pudieran ser corregidos por un conjunto de lentes (ésto fue logrado por el astrónomo George Airy en 1827, unos 220 años después de que otro astrónomo más famoso, Johannes Kepler, describiera correctamente por primera vez los efectos de las lentes sobre la luz).

Una vez que apareció el telescopio, se presentaron dos nuevos problemas ópticos. Las lentes que recolectan luz crean imágenes virtuales curvadas. Esta curva tiene una forma ligeramente parecida a un cuenco con el fondo dirigido hacia el observador. Esto es, por supuesto, exactamente lo opuesto a como el ojo ve el mundo, puesto que los ojos ven las cosas como si estuvieran ordenadas en una gran esfera cuyo centro se encuentra en la retina. De modo que había que hacer algo para llevar los rayos perimetrales de vuelta hacia el ojo. El problema fue resuelto parcialmente por Christiaan Huygens hacia 1650. Lo logró combinando varias lentes como una unidad. El uso de dos lentes trajo más rayos perimetrales de un lente recolector hacia la paralela. El nuevo ocular de Huygens acható efectivamente la imagen y permitió que el ojo lograra enfocar un mayor campo de visión. Pero ese campo sigue induciendo claustrofobia a la mayoría de los observadores de hoy.

El problema final era mucho más complicado: las lentes refractantes curvan la luz según la longitud de onda o la frecuencia. Cuanto mayor la frecuencia, más se curva un color de la luz en particular. Por esta razón, los objetos que muestran luces de varios colores (luz policromática) no se ven en el mismo punto focal a lo largo del espectro electromagnético. Básicamente, las lentes actúan en formas similares a los prismas, creando una dispersión de colores, cada uno de ellos con su propio y único punto focal.

El primer telescopio de Galileo únicamente resolvió el problema de colocar al ojo lo suficientemente cerca como para magnificar la imagen virtual. Su instrumento estaba compuesto por dos lentes separables por una distancia controlada para lograr el enfoque. El objetivo tenía una curvatura menos pronunciada para recoger luz y llevarla a varios puntos focales, dependiendo de la frecuencia de color. La lente más pequeña, poseedora de una curvatura más pronunciada con longitud focal más corta, permitió al ojo observador de Galileo acercarse lo suficiente a la imagen como para ver detalles magnificados.

Pero el telescopio de Galileo únicamente podía enfocarse correctamente cerca del centro del campo visual de ocular. Y ese foco solamente podía ajustarse basado en el color dominante que fuera emitido o reflejado por lo que fuera que Galileo estaba observando en ese momento. El científico observaba comúnmente objetos brillantes, como la Luna, Venus y Júpiter, utilizando una regulación de apertura, y ostentó el orgullo de haber tenido esa idea.

Christiaan Huygens creó el primer ocular luego de Galileo. Su ocular consiste en dos lentes plano-convexas que enfrentaban a la lente recolectora, en lugar de una única lente cóncava. El plano focal de las dos lentes se encuentra entre los elementos del objetivo y del ocular. El uso de dos lentes acható la curvatura de la imagen, pero solamente sobre una veintena de grados del campo aparente de visión.

Desde la época de Huygens, los oculares se han vuelto mucho más sofisticados. Comenzando con el concepto original de multiplicidad, los oculares actuales pueden agregar más o menos media docena de elementos ópticos reacomodados tanto en forma como en posición. Ahora, los astrónomos aficionados pueden adquirir oculares comerciales con campos razonablemente achatados que excede los 80 grados de diámetro aparente (2).

El tercer problema (el de las imágenes multicolores cromáticamente matizadas) no fue resuelto para los telescopios hasta que se diseñó y construyó un telescopio reflector funcional, logro de Sir Isaac Newton hacia la década de 1670. Ese telescopio eliminó del todo a la lente recolectora, aunque todavía requería el uno de un ocular refractor (que contribuye mucho menos que el objetivo al problema del “color falso”).

Mientras tanto, los primeros intentos de mejorar al telescopio refractor consistieron simplemente en hacerlos más largos. Se diseñaron telescopios de hasta más de cuarenta metros. Ninguno de ellos tenía lentes de diámetros exorbitantemente grandes. Tales dinosaurios espigados requerían un observador verdaderamente aventurero para ser utilizados, pero disminuyeron el problema del color.

A pesar de eliminar el error de color, los reflectores primitivos también tenían sus problemas. El telescopio de Newton utilizaba un espejo de vidrio pulido esféricamente. Comparado con el revestimiento de aluminio de los reflectores modernos, esos espejos eran bastante pobres.

Con aproximadamente tres cuartos de la capacidad recolectora de luz del aluminio, perdían casi una magnitud en su captura de luz. Así, el instrumento de 15 centímetros diseñado por Newton se comportaba aproximadamente como un modelo contemporáneo de 10 centímetros. Pero no era ésto lo que hacía que el instrumento de Newton fuera difícil de vender; sencillamente, proporcionaba una calidad de imagen realmente pobre. Y ésto se debía al uso de un espejo primario pulido esféricamente.

El espejo de Newton no llevaba todos los rayos de luz a un foco común. El problema no estribaba con el vidrio, sino que estaba en la forma del espejo que, si se lo extendiera 360 grados, haría un círculo completo. Un espejo de ese tipo es incapaz de llevar los haces centrales de luz al mismo punto focal de los haces cercanos al borde.

No fue hasta 1740 que el escocés John Short corrigió este problema al hacer un espejo parabólico. Shor lo realizó de una manera muy simple: ya que los rayos paralelos cercanos al centro de un espejo esférico sobrepasaban a los rayos marginales, ¿por qué no simplemente hacer que el centro fuera más profundo y de esa forma ponerlos en vereda?.

No fue hasta la década de 1850 en que la plata reemplazó al espejeado (una mezcla de cobre y estaño) como elección para la superficie del espejo. Por supuesto, los más de mil reflectores parabólicos construidos por John Short tenían espejos de ese tipo Y la plata, como el espejeado, perdía muy rápidamente su reflectividad a causa de la oxidación. Hacia 1930, los primeros telescopios profesionales fueron recubiertos con el más durable y reflectivo aluminio. A pesar de esta mejora, los reflectores pequeños llevan menos luz al punto focal que los refractores con aperturas comparables.

Mientras tanto, los refractores también evolucionaban. Durante la época de John Short, los ópticos lograron algo que Newton no había conseguido: hacer que la luz roja y la verde se unieran en un mismo punto focal por refracción. Ésto fue logrado primeramente por Chester Moor Hall en 1725 y redescubierto un cuarto de siglo después por John Dolland.


Hall y Dolland combinaron dos lentes diferentes, una convexa y otra cóncava. Cada una de ellas consistía en un tipo diferente de cristal, denominados “crown” y “flint”, que refractaban la luz en forma diferente (a causa de sus índices de refracción).

La lente convexa de cristal crown realizaba la tarea inmediata de recolectar luz de todos los colores. Ésto desviaba los fotones hacia el centro. La lente negativa dispersaba el haz convergente ligeramente hacia afuera. Allí donde la lente positiva hacía que la luz roja sobrepasara al punto focal, la lente negativa hacía que quedara corta. El rojo y el verde se unían y hacían que el ojo viera el color amarillo.

El resultado fue un telescopio refractor acromático, un tipo preferido por muchos astrónomos aficionados actuales por ser económico, de apertura pequeña, y de gran campo de visión, aunque en los focales más cortos da una imagen de calidad menor a la ideal.

No fue sino hasta mediados del siglo XIX que los ópticos lograron hacer que el azul-violeta se uniera al rojo y al verde en el punto focal. Ese desarrollo surgió inicialmente con el uso de materiales exóticos (fluorita) como un elemento de los objetivos dobles de los microscopios de alto poder, y no en los telescopios. Los diseños de telescopios que utilizan tres tipos de cristal estándar resolvieron el problema unos cuarenta años más tarde, justo antes del siglo XX.

Los astrónomos aficionados actuales pueden elegir entre una gran variedad de tipos y fabricantes de telescopios. No existe un telescopio adecuado para todos los cielos, todos los ojos y todos los estudios celestes. Problemas como la chatura del campo de visión (particularmente con los telescopios Newton más rápidos) y los enormes y pesados tubos ópticos (asociados con los grandes refractores) fueron enfrentados con nuevas configuraciones ópticas desarrolladas en la década de 1930.

Varios tipos de instrumentos, tales como los Schmidt-Cassegrain y los Maksutov-Cassegrain, se construyen actualmente en los EE.UU. y en todo el mundo. Cada tipo de telescopio se desarrolló para enfrentar unas u otras preocupaciones válidas relacionadas con el tamaño del telescopio, la chatura de campo, la calidad de imagen, el contraste, el costo, y la portabilidad.

Mientras tanto, los refractores han ocupado el centro del escenario entre los optófilos, es decir, aquellos que desean la mayor calidad de imagen sin tener en cuenta los otros problemas. Los refractores completamente apocromáticos (es decir, corregidos para el color) proporcionan algunas de las imágenes más asombrosas que se utilizan para visión óptica y para registro fotográfico y CCD. Pero, lamentablemente, esos modelos están limitados a aperturas pequeñas debido a los costos significativamente más altos de los materiales (vidrios y cristales exóticos de baja dispersión), de su manufactura (debe darse forma a hasta seis superficies ópticas) y a los requisitos de mayores sistemas de direccionamiento (debido a los pesados discos de vidrio).

Toda esta variedad de tipos de telescopios comenzó con el descubrimiento de que dos lentes de curvatura desigual podían ayudar al ojo a transportar la percepción humana por grandes distancias. Como muchos avances tecnológicos, el moderno telescopio astronómico emergió de tres ingredientes fundamentales: necesidad, imaginación, y una comprensión creciente de la forma en que interactúan la energía y la materia.

Así que, ¿de dónde procede el telescopio astronómico moderno?. Ciertamente, el telescopio recorrió un largo camino de mejoras constantes. Pero quizás, y solamente quizás, el telescopio es en esencia un regalo del propio universo exultante de profunda admiración a través de los ojos, corazones y mentes de los seres humanos...

NOTAS:

1).- Existen dudas acerca de quien creó por primera vez anteojos que corrigieran la miopía y la presbicia. Es improbable que Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham o Roger Bacon utilizaran siquiera una lente con este propósito. La confusión sobre el asunto de su procedencia es la cuestión de cómo se utilizaban realmente los anteojos. Es probable que la primera ayuda visual simplemente se sostuviera delante del ojo como un monóculo, y la necesidad se encargó de las cosas desde ahí en adelante. ¿Pero podría un método tan primitivo tomarse históricamente en cuenta como “el origen de los anteojos”?.

2).- La capacidad de un ocular en particular para compensar una imagen virtual necesariamente curvada está limitada, fundamentalmente, por la razón focal efectiva y la arquitectura del telescopio. Así, los telescopios cuya longitud focal sea muchas veces su apertura presentan menos de una curva instantánea en el “plano de la imagen”. Por otro lado, los telescopios que refractan inicialmente la luz (tanto catadióptricos como refractores) tienen la ventaja de un mejor manejo de la luz que está fuera del eje. Ambos factores incrementan el radio de curvatura de la imagen proyectada y simplifican la tarea del ocular para presentar al ojo un campo plano.