A fost Huygens cel mai bun constructor de telescoape ?

  Acum mai bine de 350 de ani, Christiaan Huygens era mândru că telescoapele sale erau cele mai bune din lume. El la descoperit pe Titan satelitul lui Saturn, dar savanții italieni l-au urmat cu propriile lor telescoape. Cercetările realizate de Museum Boerhaave cu privire la cele mai vechi lentile aruncă acum lumină asupra practicilor de slefuire ale celor mai vechi constructori de telescoape și asupra problemei care este cel mai bun.
Conform standardelor moderne, materialul cu care astronomul olandez Christiaan Huygens a scanat cerul în 1655 a fost precum o joaca de copii poate chiar mai puțin. Performanța telescopului construit este acum depășită de un telescop sau binoclu pentru copii. Cu toate acestea, a fost suficient să observăm un punct de lumină la Saturn: Huygens a descoperit cea mai mare lună a lui Saturn: Titan.
Huygens a anunțat cu mândrie că el și fratele său Constanți au făcut cele mai bune lentile din lume. Împreună au adunat aproximativ treizeci de lentile, majoritatea fiind acum deținute de Museum Boerhaave din Leiden. "Huygens a stăpânit procesul de slefuire foarte repede", spune Tiemen Cocquyt, curatorul muzeului, "dacă a făcut cu adevărat cele mai bune lentile din lume el si cu fratele său ? Asta este întrebarea. 
Cu aceste afirmații el s-a lovit probabil in cativa renumiti mesteri italieni ca Eustachio Divni si Giuseppe Campani fiind recunoscuti la vremea respectiva ca cei mai buni opticieni din lume.

Lentila obiectiv realizata de fratii Huygens in 1656 fiind probabil cea mai veche lentila descoperita pana acum, parametri optici sunt: diametru intreg 62mm, folosita la 34mm diametru, focala 3650mm.

Indiferent dacă a fost vorba despre frații Huygens sau despre „concurenții” lor italieni, în general nu se știe prea multe despre meșteșugul de slefuire a lentilelor la acea vreme - o parte esențială a dezvoltării furtunoase la care a fost supusă știința la acea vreme. 
Opticieni ca Huygens nu au lăsat aproape nicio descriere a muncii lor. Singura modalitate de a învăța orice despre mestesugul de slefuit este să arunci o privire mai atentă asupra lentilelor în sine. Din prima jumătate a secolului al XVII-lea, zece până la cincisprezece lentile au fost păstrate în întreaga lume.
Când Cocquyt a primit o subvenție de la NWO în 2015 pentru a studia practicile de slefuire a lentilelor din în secolele XVII și XVIII, a știut imediat că nu ar trebui să se uite doar la colecția de lentile a muzeului Boerhaave. El a dezvoltat o configurație cu laser mobil, care a vizitat mai multe muzee europene și a examinat unele dintre cele mai vechi lentile obiective. Lentilele opticieniilor din secolul al XVII-lea sunt astfel cartografiate la o precizie de nanometri. . A acum vom ști cât de bune erau lentilele lui Huygens.

Colectia de lentile obiectiv realizate de fratii Huygens actualmente detinute in Muzeul Boerhaave din Leiden.

Obiectiv pentru luneta lunga realizat de Huygens closeup

Lentilele obiectiv realizate de Huygens, majoritatea fiind acum deținute de Museum Boerhaave din Leiden

Lentilele obiectiv pentru lunete lungi realizate de fratii Huygens detinute la Muzeul Boerhaave din Leiden

Este o stiința care a început de fapt pe piața online a eBay încă din zilele de studentie a lui Cocquyt. El a lucrat apoi la un prototip al unei astfel de setup de măsurare optică și a căutat site-ul pentru piese. A cautat prin fabrici care erau la pragul falimentului piesie la jumatate de pret pentru instrumentatia de masurare.
Cocquyt a trebuit să folosească considerabil ingeniozitatea sa tehnică, echipamentul e realizat din optică adunata in timp și software auto-scris, a reușit să dezvolte în zece ani o configurație de măsurare optică relativ accesibilă și plină de putere, care rivalizează cu mașinile profesionale pentru verificarea lentilelor. „Costă aproximativ o tonă”, spune Cocquyt. „Nu avem acești bani”.
Dar de ce să nu folosiți acele dispozitive existente chiar dacă nu le aveți singur? Într-adevăr, Cocquyt spune că lentilele Galileo Galilei au fost anterior măsurate într-un laborator optic. „Dacă faceți cercetări comparative, preferați să măsurați toate lentilele cu același dispozitiv”, spune el. „Am crezut că privirea sistematică a acestor lentile a fost foarte importantă. Dar asta este problematic. Muzeele nu le place să transporte articole vechi și fragile ca acestea. Acum am depășit asta prin transportarea cu mașina a acestei configurație și mergând la fata locului. Domeniul de cercetare este mult mai larg.“

Aparatul de cartografiere a lentilelor

Testarea unor lentile din secolul al 17-lea

Analiza lentilelor

Dispozitivul este un așa-numit interferometru. Permite luminii laser să treacă printr-o lentilă (care trebuie măsurată) de două ori și apoi să interfereze cu ea însăși: cele două fascicule de lumină cad pe un punct și se înțepă sau se amplifică reciproc acolo. Acest truc cartează funcționarea obiectivului cu o precizie ridicată. „Măsurăm forma obiectivului, care este de fapt un fel de hartă a înălțimii. De obicei, este precis până la câțiva nanometri ", spune Cocquyt. "Acesta ne spune multe despre calitatea de slefuire a unui obiectiv."
În ultimul an, Cocquyt a testat mai multe lentilecu instrumentatia sa. Cea a lui Huygens din Leiden, dar și cea a lui Campani dintr-o colecție privată elvețiană. A condus la Berlin pentru un telescop din 1617 - unul dintre cele mai vechi exemplare păstrate.
O lentilă perfectă (convexă) are forma unei așa-numite hiperbole. În zilele noastre, lentilele sunt tăiate la zeci de nanometri cu un profil perfect, opticienii din secolul al XVII-lea au lucrat în mod semnificativ mai puțin precis. Dacă te uiți la profilurile de înălțime, vei vedea abateri mari de la forma ideală. Drept urmare imaginiile magnificate au devenit neclare. Problema care a fost parțial depășita prin utilizarea unei diafragme, care protejează regiunile exterioare (de obicei mai puțin perfecte) ale unei lentile.

Obiectivul cu care Christiaan Huygens a descoperit Titan satelitul lui Saturn în 1655. În partea dreaptă, profilul înălțimii, forma, al lentilei poate fi privit ca o abatere de la forma perfectă (hiperbolică) a lentilei. Dacă obiectivul ar fi fost perfect, întreaga zonă ar fi fost verde. Cu toate acestea, abaterile sunt vizibile la margini (roșu și albastru reprezintă imperfecțiuni de aproximativ 600 nanometri). Aceste abateri au apărut în timpul procesului de slefuire, de exemplu prin apăsarea mai puternică a obiectivului în timpul șlefuirii. În cele din urmă, aceste abateri au ca rezultat o lentilă de calitate inferioară.

Obiectivul de 34 picioare 136mm diametru a lui Campani, profilul lentilei stanga in comparatie cu cea a lui Huygens din imaginea de mai sus.

Huygens versus Campani


  Cocquyt a avut lentile de la maeștri olandezi și italieni în aparatul lui de măsurare. În comparație cu lentilele Campani, de exemplu, lentilele Huygens erau de obicei foarte mari. De exemplu, s-au comparat exemplarele de 4,6 centimetri (Campani) și 9,6 centimetri (Huygens). „În principiu, o lentilă mare este mai bună, dar atunci trebuie să aibă o calitate suficientă”, spune Cocquyt. „Un astfel de obiectiv format este mai dificil de obținut în forma potrivită datorită suprafeței mai mari. Dacă ceva nu merge în timpul șlefuirii, întregul obiectiv este imediat inutilizabil. Există un echilibru delicat între dimensiune și calitate. “
Oare acele lentile mari de la frații Huygens au fost cu adevărat cele mai bune din lume? Cocquyt a văzut că regiunile exterioare ale lentilelor lor s-au abătut destul de mult de la forma ideală, în special lentilele mai mari de 9,6 centimetri menționate anterior. De asemenea, suspectează că folosirea unei diafragme l-a salvat. „De fapt i-a permis să scoată cele mai„ rele ”părți ale obiectivului. Centrul obiectivului era de fapt bun, iar performanța acestui obiectiv este comparabilă cu cea a lui Campani. Deci au fost la fel de buni ”, a spus Cocquyt.
De exemplu, de la mijlocul secolului al XVII-lea, calitatea lentilelor a devenit mai bună, iar utilizarea unei diafragme nu mai era necesară din acel moment. Cocquyt spune că lentilele Campani erau din ce în ce mai mari și erau de bună calitate. Lentilele erau în formă bună pe întreaga suprafață, spre deosebire de deceniile anterioare. Nu putem decât să ghicim cum a făcut Campani asta. Dar cuvintele lui Huygens conform cărora „telescoapele sale sunt preferate față de cele ale altor savanți” erau cu siguranță învechite la vremea respectivă. Cocquyt: "În cele din urmă, Campani a devenit opticianul preferat dintre oamenii de știință care se ocupau de astronomia telescopica.
Prin măsurarea minuțioasă a lentilelor, Cocquyt știe exact cum ele deviază lumina și cum măresc o imagine. Acest lucru îi permite să privească „ficțional” prin telescopul lui Huygens și să vadă, de exemplu, cum trebuie să fi văzut Saturn în 1655. O imagine modernă (ascuțită) a planetei intră în computer, care calculează modul în care imaginea gigantului de gaz. sa vazut prin telescop. Prezintă inelele planetei ca două apendice. „Dacă doriți cu adevărat să știți cum a văzut Huygens pe Saturn, trebuie să puneți obiectivul într-un telescop și să urcați pe acoperiș”, spune Cocquyt. "Din păcate, aceasta nu este o opțiune cu aceste piese unice."

În stânga, o fotografie din 2009 a telescopului Hubble pe care Saturn o fotografiează de pe o orbită aproape de Pământ.  În dreapta, o imagine reconstruită a modului în care Christiaan Huygens trebuie să fi văzut Saturn prin telescopul său de 12 picioare în 1655.

Obiectivul lunetei aeriane cu focala de 122 picioare ( 37 metri) folosit la 190mm diametru.

Obiectivul lunetei aeriane cu focala de 122 picioare ( 37 metri) folosit la 190mm diametru.

Simulare a planetei Saturn si o stea printr-o luneta aeriala de 122 picioare ( 11metri focala ) la diametrul util de 190mm

Ne este clar acuma impresionantele lentile realizate de Huygens erau aproape la fel de bune ca si ale lui Campani, cu timpul Huygens a inceput sa stapaneasca arta slefuirii spune 
Cocquyt iar acest fapt se datoreaza masuratoriilor efectuate.
Acuma stim defapt ca primele lentile realizate de Huygens erau de calitate slaba ne dovedeste aceasta lentila din imaginea de jos fiind probabil cea mai veche lentila obiectiv slefuita de Huygens.

Lentila obiectiv slefuita de Huygens diametrul interg 32mm folosit la 35mm

Test Ronchi al obiectivului slefuit de Huygens la diametrul util de 35mm

Test Ronchi al obiectivului slefuit de Huygens la diametrul util de 35mm 2

Test Ronchi al obiectivului slefuit de Huygens la diametrul util de 35mm 3

Test Ronchi al obiectivului slefuit de Huygens la diametrul util de 35mm 4

Testarea obiectivului lui Huygens cu diafragma originala de 35mm

  Înlocuirea ocularului concav cu o lentila convexa pozitiva a înrăutățit problemele aberației sferice și, în special cea cromatică. Astfel, curbura a trebuit să fie minimizată și prin urmare mărirea mai mare a însemnat telescoape mai lungi. Cu siguranță o lungime de 3 m era deja modestă când, în 1655, Christiaan Huygens din Haga a făcut primul său telescop de cercetare. Lungimea sa a fost de 12 picioare, câmpul său de vedere a fost de 30 de minute de arc, iar mărirea sa a fost de 50x. Testul recent a arătat că obiectivul acestui instrument, păstrat în muzeul de știință din Utrecht, nu a fost foarte bun, dar Huygens și-a îndreptat telescopul spre cerur la un moment favorabil. Galileo a observat aparițiile ciudate ale lui Saturn pentru prima dată în iulie 1610 ca niste apendice, sau urechi laterale fara sa isi dea seama ce erau defapt.

El a susținut că a văzut un glob central flancat de două globuri mai mici; în 1611, matematicienii de la Collegio Romani au susținut că au văzut o formă ovală. În cea de-a treia sa scrisoare de protecție solară, tipărită în 1613, Galileo a raportat că, din moment ce nu a existat nicio schimbare în pozițiile „tovarășilor lui Saturn”, el și-a pierdut interesul, dar  atunci când s-a întâmplat să privească planeta din nou în 1612, a fost surprins sa vada ca apendicele dispăruse, problema a fost discutată doar ocazional până în anii 1640, când o nouă generație de observatori telescopici, înarmați cu telescoape mai bune au luat problema in serios. În jurul anului 1655, diferitele apariții fuseseră catalogate și unii astronomi începeau să formuleze teorii care să explice fenomenul. Ceea ce nu căutau era un satelit al planetei.
Luna saturniană pe care o numim acum Titan, a fost în mâna celor mai bune telescoape de aproximativ un deceniu, dar mișcarea sa în jurul planetei a fost o elipsă mare (deoarece planul său orbital coincide mai mult sau mai puțin cu planul inelar) . Observatori precum Johannes Hevelius din Gdansk o văzuseră, dar o considerau o stea fixă. Când tânărul Huygens și-a antrenat telescopul pe planetă, la începutul anului 1655, a observat rapid o stea strălucitoare care se deplasa înainte și înapoi in jurul lui Saturn. Un nou capitol de descoperiri a început. Indiciul care l-a condus pe Huygens la teoria lui de inele a fost faptul că, pe măsură ce apendicele lui Saturn deveneau mai mici, își păstrau lungimea. În Anglia, Christopher Wren a observat același lucru.
Soluția lui Huygens, cu siguranță, nu a fost o problemă de a vedea un inel el a rezolvat problema la sfârșitul anului 1655 sau la începutul anului 1656, în timpul și la scurt timp după conjuncția planetei cu Soarele, iar când planeta a apărut, apendicele a dispărut în întregime. Mai degrabă, Huygens a pornit de la presupunerea că Saturn era centrul propriului vortex (cartezian). Deoarece luna recent descoperită a avut o perioadă de aproximativ 16 zile și s-a crezut că planeta se rotește în jurul axei sale într-o perioadă nu foarte diferită de Pământ pe axa sa, toată materia dintre ele a trebuit să se învârtă în jurul planetei cu perioade mai mici de 16 zile. Probabil, apendicele sau ansele s-au rotit în jurul axei lui Saturn în aproximativ o zi, dar aparițiile lor s-au schimbat mult mai lent. Un inel plat subțire care se învârtea în jurul planetei și nu-l atingea nicăieri aceasta era soluția 


 Huygens a publicat un raport complet despre luna lui Saturn și soluția sa inelară în Systema Saturnium, 1659. Această carte a fost, totuși, mai mult decât un simplu raport despre Saturn. Huygens a discutat, de asemenea, despre modul său de măsurare a distanțelor unghiulare în câmpul de vedere al telescopului său, prin introducerea tijelor subțiri în planul focal al telescopului său, iar acest lucru a dus la dezvoltarea micrometrului în Franța și la renașterea micrometrului lui William Gascoigne în Anglia. Faimos pentru că a fost din cauza descoperirilor sale telescopice, obiectivele lui Huygens nu au fost la fel de bune ca cele realizate la Roma de Eustachio Divini și noile producătorul de telescoape Giuseppe Campani. In timp ce instrumentele lui Huygens aveau deschideri clare de câțiva centimetri, în 1665, Campani producea obiective biconvexe sferice cu o deschidere clară de 10 cm pentru o distanță focală de 10 m, cu o variatie de la mijloc la margine de 0,14 lungimi de undă. Împotriva acestor lentile, nimeni nu a putut concura. Nu este de mirare că practic toate descoperirile de după Titan au fost făcute cu telescoape lui Campani, în special de Giovanni Domenico Cassini, profesor de matematică la Universitatea din Bologna și consilier al Papei în probleme de inginerie, și începând în 1669, membru al noii Académie Royale des Sciences din Paris și șeful noului observator regal de acolo.
Cassini a observat și a publicat marcaje de suprafață pe Marte (văzute anterior de Huygens, dar nepublicate), au determinat perioadele de rotație ale Marte și Jupiter și a descoperit nu mai puțin de patru sateliți ai lui Saturn, Iapetus și Rhea în 1671 și 1672, și Tethys și Dione (1684). Telescoapele lui Campani au o lungime destul de modestă în comparație cu cele ale contemporanilor săi. În cursa de a face din ce în ce mai puternice, telescoapele de până la 45 de metri erau deja ridicați în jurul anului 1670. Acestea erau obiecte de prestigiu, inutile totusi pentru observația astronomică. Cu telescoape lungi, singurul lucru sensibil de făcut era să te îndepărtezi de tub. Se pare că observatorii făceau asta încă din anii 1660.
În 1684, Huygens a publicat un mic articol în care a propus un proiect pentru un telescop aerian în care carcasa care ține obiectivul să fie montată pe o articulație cu bilă, astfel încât prin intermediul unui snur ocularul să poată fi aliniat cu obiectivul. Telescoapele sale nu au putut să se potrivească cu cele ale lui Campani la claritate, iar Huygens nu a putut niciodată să vadă de unul singur ultimii doi sateliți ai lui Saturn descoperiti de Cassini.

Testele de interferență Ronchi ale lentilelor convexe din secolul al XVI-lea. Atunci când deschiderea este restricționată așa cum este arătat (aproximativ 1 cm), aceste lentile sunt suficient de bune pentru a produce o imagine lărgită și rezonabilă, mărită (rândul de jos). Cu amabilitate Rolf Willach

Testul de interferență Ronchi al obiectivului telescopului cu care Huygens a descoperit cea mai mare lună a lui Saturn în 1655. Obiectivul poartă inscripția Admovere oculis distantia sidera nostris (din Fasti de la Ovidiu), parte a anagramei pe care a folosit-o pentru a-și ascunde descoperirea lunii lui Saturn.