CÁC THIẾT BỊ QUAN SÁT MẶT TRỜI
Cho dù có nghiên cứu cái gì trên bầu trời đi nữa, với một nhà thiên văn học, dụng cụ chủ yếu vẫn là chiếc kính viễn vọng (tức kính thiên văn) (xem mục "Kính thiên văn từ thời Galilê cho tới nay"). Mặc dầu tất cả các kính thiên văn đều có chung nguyên lý hoạt động, với từng lĩnh vực riêng của thiên văn học, người ta đã chế tạo ra những dạng kính đặc thù riêng.
Mặt Trời có độ chói sáng rất lớn bởi thế quang lực (độ truyền sáng) của hệ quang học trong một kính thiên văn Mặt Trời có thể không cần lớn. Điều đáng quan tâm hơn nhiều là làm sao có được hình ảnh càng lớn càng tốt. Chính vì vậy các kính thiên văn (viễn kính) Mặt Trời đều có tiêu cự 90m và cho hình ảnh Mặt Trời với đường kính khoảng 80 cm.
Đài thiên văn quan sát Mặt Trời tại
hồ Gấu Lớn bang Caliphonia (Mỹ)
Phải quay chuyền một thiết bị như thế, hẳn không dễ dàng gì. Rất may là lại không cần điều đó. Mặt Trời chuyển động trên vòm trời chỉ trong một khu vực hạn chế theo một dải có chiều rộng chùng 47o. Bởi thế không cần lắp ráp cho kính thiên văn Mặt Trời thường tới mọi điểm trên bầu trời. Nó được đặt cố định, còn các tia sáng Mặt Trời được chuyển hướng bởi một hệ thống gương động gọi là gương đinh tiêu hoặc gương dẫn Mặt Trời.
Có những kính thiên văn Mặt Trời nằm ngang và thẳng đứng (dạng tháp). Lắp đặt một kính thiên văn nằm ngang thường dễ hơn, bởi vì mọi chi tiết của nó đều bố trí trên một trục ngang. Việc sử dụng nó cũng đơn giản hơn. Tuy nhiên nó lại có một nhược điểm cơ bản. Mặt Trời cung cấp một lượng nhiệt rất lớn và không khí bên trong kính bị hun nóng lên. Không khí nóng chuyển động lên trên, không khí lạnh hơn đi xuống dưới. Những luồng không khí ngược nhau này làm hình ảnh rung động và không nét. Bởi vậy, gần đây người ta chỉ chủ yếu xây dựng những kính Mặt Trời theo phương thẳng đứng. Ở những kính này luồng không khí chuyển động hầu như song song với tia sáng và ít ảnh hưởng xấu tới chất lượng hình ảnh.
Thông số quan trọng của kính thiên văn là độ phân giải góc, đặc trưng cho khả năng của kính cung cấp được những hình ảnh riêng biệt của hai chi tiết gần nhau. Ví dụ, như độ phân giải 1 giây góc (1”) có nghĩa là có thể phân biệt được hai đối tượng mà góc giữa chúng bằng l” cung. Bán kính biểu kiến của Mặt Trời là dưới 1000” một chút, trong khi bán kính thực là xấp xỉ 700.000 km. Do vậy, 1” đối với Mặt Trời tương ứng với khoảng cách lớn hơn 700 km một chút. Những tấm ảnh Mặt Trời tốt nhất có được nhờ những thiết bị lớn nhất cho phép thấy được những chi tiết với kích thước khoảng 200 km.
Những kính thiên văn Mặt Trời thông thường chủ yếu dùng để quan sát quang cầu. Để quan sát nhật hoa, là những lớp khí quyển Mặt Trời ở ngoài cùng nhất, loãng nhất và do đó cũng sáng yếu, phải dùng đến một thiết bị đặc biệt có tên gọi là nhật hoa ký, do nhà thiên văn học Pháp Becna Lyô sáng chế năm 1930.
Ở điều kiện thông thường không thể thấy được nhật hoa, Bởi vì ánh sáng của nó yếu hơn 10000 lần so với ánh sáng bầu trời ban ngày gần Mặt Trời. Có thể tranh thủ những thời điểm có nhật thực toàn phần là khi đĩa Mặt Trời bị Mặt Trăng che khuất. Nhưng nhật thực thường hiếm xảy ra, và đôi khi lại ở những nơi con người rất khó đến được. Ngoài ra, thời tiết không phải bao giờ cũng thuận tiện. Mà thời gian cô pha nhật thực toàn phần thường không quá 7 phút. Nhật hoa ký có khả năng quan sát được nhật hoa khi không có nhật thực.
Để loại bỏ ánh sáng khỏi đĩa Mặt Trời, tại tiêu điểm của vật kính của nhật hoa ký người ta bố trí một "Mặt Trăng" nhân tạo. Đó là một gương nhỏ hình nón có kích thước lớn hơn một chút so với đường kính ảnh Mặt Trời, đỉnh chóp hướng vào vật kính. Ánh sáng bị gương hình nón hắt ngược trở lại vào cột ống của kính thiên văn hoặc vào một cái “bẫy” ảnh sáng đặc biệt. Một thấu kính phụ ở sau gương hình nón sẽ tạo nên hình ảnh nhật hoa.
Ngoài ra cần dọn bỏ (thu gom) ánh sáng phân tán trong kính thiên văn. Điều quan trọng nhất là vật kính của thấu kính phải thật nhẵn bóng, không có khuyết tật bên trong thuỷ tinh. Nó phải được bảo vệ chống bụi thật tốt. Mỗi một hạt bụi nhỏ, mỗi khuyết tật của thấu kính - vết xước hay bọt nhỏ khi được chiếu sáng mạnh sẽ hoạt động như một tấm gương nhỏ và phản chiếu ánh sáng theo một phương bất kỳ.
Các nhật hoa ký thường được lắp đặt cao trên núi, nơi không khí trong suốt hơn và trời tối hơn, nhưng tại những nơi đó nhật hoa lại yếu hơn vầng sáng của bầu trời quanh Mặt Trời. Do vậy, nhật hoa chỉ có thể quan sát được trong dải quang phổ hẹp, trong những vạch phổ bức xạ của nhật hoa. Để làm được điều này, người ta dùng một loại phin lọc chuyên dụng gọi là máy chụp quang phổ (quang phổ ký).
Quang phổ ký là một công cụ trợ giúp tối quan trọng để nghiên cứu vật lý thiên văn. Có nhiều kính thiên văn Mặt Trời chỉ dùng để lái chùm ánh sáng Mặt Trời vào quang phổ ký. Các phần tủ ca bản của quang phổ ký gồm khe hạn chế ánh sáng đến; ống chuẩn trục (thấu kính hay gương) làm cho chùm tia trở lên song song; cách tử nhiễu xạ dùng để phân tách ánh sáng trắng thành quang phổ và một máy chụp ảnh hay một bộ dò (đêtectơ) tìm ảnh.
"Trái tim" của quang phổ ký là cách tử nhiễu xạ tức là một tấm gương bằng thuỷ tinh với những nét gạch song song sát nhau trên bề mặt. Với những cách tử tốt nhất, có tới 1200 nét vạch trong 1 milimet.
Đặc trưng cơ bản của quang phổ ký là độ phân giải phổ. Độ phân giải càng cao thì càng có thể nhìn thấy được một cách riêng biệt (tách bạch) những vạch phổ sát gần nhau hơn. Độ phân giải phụ thuộc vào một số tham số. Một trong những tham số là bậc quang phổ. Bộ cách tử nhiễu xạ cho ta nhiều quang phổ nhìn thấy được dưới những góc khác nhau. Người ta nói rằng nó có nhiều bậc quang phổ. Bậc quang phổ sáng nhất là bậc 1. Các bậc càng lớn thì quang phổ càng yếu, nhưng độ phân giải của nó càng cao. Tuy nhiên những bậc quang phổ lớn thường chồng lấn lên nhau. Trong chừng mực đòi hỏi
vừa có độ phân giải cao vừa có quang phổ sáng, thì đành phải thoả hiệp. Bởi thế để quan sát người ta thường sử dụng quang phổ bậc 2-3.
Quang phổ ký bậc cao là một trong những hệ thú vị nhất. Ở thiết bị này ngoài bộ cách tử đặc biệt gọi là cách tử bậc cao (echelle grating) còn có một lăng trụ bằng thuỷ tinh. Các tia sáng rọi xuống cách tử bậc cao ở một góc rất nhọn. Đồng thời có rất nhiều bậc quang phổ chồng lấn lên nhau. Chúng được tách ra nhờ một lăng kính làm khúc xạ ánh sáng thẳng góc với những nét vạch trên cách tử. Do đó ta có được một quang phổ được cắt ra thành nhiều mảnh. Khe của quang phổ ký bậc cao được làm với chiều dài rất nhỏ, chỉ vài milimet, và do đó tạo nên được những quang phổ.
Quang phổ bậc cao là cả một bộ những giải phân bố xếp lớp lên nhau, đệm giữa chúng là những khoảng tối. Khả năng sử dụng những bậc quang phổ cao trong quang phổ ký bậc cao đã tạo ra ưu thế về độ phân giải. Đây là điều rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu cấu trúc tinh tế của những vạch phổ.
