عدد f یا نسبت کانونی در تلسکوپ­‌ها چیست و چه اهمیتی دارد؟

برای درک مفهوم عدد f یا نسبت کانونی، در ابتدا لازم است 2 شاخصه اصلی یک تلسکوپ را درک کنیم، زیرا عدد نسبت کانونی عمدتاً ارتباط مستقیمی با این دو شاخصه دارد.

1- قطر دهانه: این پارامتر مهمترین مشخصه هر تلسکوپ است و به قطر عدسی یا آینه اصلی تلسکوپ اشاره دارد. اندازه قطر دهانه، توانایی جمع‌­آوری نور یک تلسکوپ را بیان می‌­کند. نور گردآوری شده توسط تلسکوپ با مربع (توان دوم) قطر دهانه آن رابطه مستقیم دارد. به عنوان مثال، یک تلسکوپ با آینه­‌ای به قطر 200 میلی‌متر، چهار برابر بیشتر از تلسکوپ دیکری با آینه 100 میلی‌متری، نور جمع‌آوری می‌کند.

2- فاصله کانونی: فاصله کانونی در واقع فاصله بین عدسی یا آینه تلسکوپ تا نقطه‌­ای است که تصویر (پرتوهای نور)در آن کانونی می­شود. صفحه فرضی که در فاصله کانونی از عدسی یا آینه قرار گرفته است، صفحه کانونی نامیده می­شود. تصویر یک جرم آسمانی دوردست در فاصله کانونی تشکیل می‌­شود و قابل مشاهده خواهد بود. قاعدتا فاصله کانونی عدسی یا آینه یک تلسکوپ، بر طول کلی ابزار تأثیر می­گذارد.

پارامتر نسبت کانونی که در عکاسی بسیار پرکاربرد است برای تلسکوپ‌­ها نیز قابل استفاده است. این پارامتر با تقسیم فاصله کانونی تلسکوپ بر قطر دهانه آن بدست می­‌آید. یکی از متداول‌ترین تلسکوپ­‌ها، مدل شکستی با قطر دهانه 120 میلی‌متر (4.7 اینچ) و فاصله کانونی 1 متر (1000 میلی‌متر) است. در ابزار نامبرده، نسبت کانونی برابر با f/1000/120 = 8.3 است که معمولا به شکل «f/8.3» نوشته می‌شود.

نسبت کانونی یک تلسکوپ بر 3 موضوع اثر می­‌گذارد:

1- اندازه تلسکوپ: داشتن عدد f یا نسبت کانونی بالا (بویژه در تلسکوپ‌های شکستی) معمولا بدان معنی است که تلسکوپ شما دارای فاصله کانونی بیشتر و لوله بلند‌تری است در حالی که عدد f کمتر به معنای فاصله کانونی کمتر و لوله‌های کوتاه‌تر است. دلیل این موضوع اینجاست که فاصله کانونی با طول تلسکوپ یا به بیان دقیق­تر فاصله بین عدسی و نقطه کانونی متناسب است.

2- محدوده بزرگنمایی کاربردی: اگر از یک چشمی یکسان استفاده کنید، تلسکوپی با قطر دهانه معین و نسبت کانونی کوچک، بزرگنمایی کمتری نسبت به تلسکوپ دیگری با همان قطر ولی نسبت کانونی بزرگتر را در اختیار شما قرار خواهد داد.

3- ابیراهی نوری: تلسکوپ‌هایی با نسبت کانونی کمتر نسبت به تلسکوپ‌هایی با نسبت کانونی بالاتر بیشتر تحت تأثیر ابیراهی‌­ها و انحراف‌های نوری قرار می­گیرند. در این شرایط رنگ کاذبی ( که ابیراهی رنگی نام دارد) در اطراف اجسام روشن­تر دیده می­شود. تلسکوپ­هایی با نسبت کانونی پائین­‌تر اعوجاج قابل توجهی در لبه­‌های میدان دید دارند. زمانی که اندازه فاصله کانونی در مقایسه با قطر دهانه کم باشد، این موضوع بیشتر به چشم می­‌خورد.

چگونه عدد f بزرگنمایی تلسکوپ شما را تعیین می­کند؟

بزرگنمایی یک تلسکوپ برابر است با حاصل تقسیم فاصله کانونی تلسکوپ بر فاصله کانونی چشمی. به عنوان مثال، یک تلسکوپ با فاصله کانونی 1200 میلی­متر که یک چشمی 20 میلی­متری بر روی آن قرار گرفته است را در نظر بگیرید. بزرگنمایی در این شرایط مساوی با 1200/20 یا 60 برابر خواهد بود. برخلاف قطر دهانه، بزرگنمایی بالاتر همیشه بهتر نیست. آستانه­‌ای نظری برای بزرگنمایی مفید هر تلسکوپ وجود دارد. این آستانه برابر با دو برابر قطر دهانه بر حسب میلی­متر است. برای تلسکوپی با قطر دهانه 120 میلی­متر، حد تئوری بزرگنمایی 240 برابر است. در بزرگنمایی­های فراتر از این محدوده، تصویر بزرگتر اما مبهم و کم ­نور خواهد بود.

آیا نسبت کانونی بهینه‌­ای برای مشاهده اجرام اعماق فضا وجود دارد؟

برای رصد اهداف مختلف، نسبت‌های کانونی متفاوتی مفید هستند. بنابراین نمی­توان به دنبال بهترین نسبت کانونی بود. به عنوان مثال ابزاری با  نسبت کانونی بیشتر، بزرگنمایی بالاتری را در اختیار شما قرار می­دهد، اما در این شرایط میدان دید محدودتری خواهید داشت. این بهترین حالت برای رصد ماه، سیارات و ستارگان است. برای این اجرام، بهترین نسبت کانونی برابر با 10 یا بیشتر است. از سوی دیگر، نسبت کانونی کمتر برای دیدن نماهای کاملی از خوشه‌­های ستاره‌­ای، کهکشان­های دوردست و کهکشان راه شیری بهترین گزینه است. در این حالت بزرگنمایی کمتری توسط ابزار ارائه می­شود، اما میدان دید وسیع­تری از آسمان شب در اختیار شما قرار می­گیرد مانند تلسکوپ دابسونی نشان داده شده در تصویر زیر.

در عکاسی نجومی، بهترین نسبت کانونی چند است؟

در رصد اجرام نجومی، اساسی‌­ترین قانون این است که هرچه قطر دهانه بزرگتر باشد بهتر است. زیرا اندازه دهانه توانایی جمع‌آوری نور تلسکوپ شما را تعیین می‌کند و هر چه این میزان بالاتر باشد، جزئیات دقیق‌تری از اجرام آسمانی برای شما به نمایش گذاشته خواهد شد. با این حال، برای عکاسی نجومی، نسبت کانونی از اهمیت بالاتری برخوردار است. در دوربین­‌ها، نسبت کانونی آن چیزی است که تعیین می­کند چه مقدار نور به هر یک از پیکسل­ها می­‌تابد. قاعدتا ما می­خواهیم مقدار نور ورودی بر هر پیکسل را به حداکثر برسانیم زیرا اشیایی که ثبت می­کنیم معمولاً نسبتاً کم نور هستند. قاعده کلی این است که هرچه نسبت کانونی کمتر باشد، نور بیشتری به هر پیکسل می‌تابد. این بدان معناست است که ما نور را سریع­تر از نسبت­های کانونی بالاتر جمع آوری می­‌کنیم.

نسبت کانونی و سرعت تلسکوپ در عکاسی نجومی

از اصطلاح نسبت کانونی به عنوان سرعت تلسکوپ هم یاد می‌شود دو تلسکوپ را در نظر بگیرید با قطر یکسان و با یک چشمی مشخص اما فاصله کانونی‌های متفاوت. در این حالت تلسکوپی که فاصله کانونی کمتر و در نتیجه f کوچکتر دارد بزرگنمایی کمتر خواهد داشت و میدان دید بزرگتر و تصویری روشن‌تر برای عکاسی.

در تلسکوپ کند برای گرفتن تصویری روشن از اعماق آسمان زمان بیشتری  باید صرف کرد. تلسکوپ‌های کند مناسب رصد و عکاسی از ماه و سیارات هستند( چراکه آنها به صورت طبیعی روشن و پرنور هستند) و تلسکوپ‌ها سریع مناسب رصد اعماق آسمان.

تلسکوپ‌های سریع f/4 و f/5 مناسب عکاسی از اعماق آسمان هستند. تلسکوپ‌های کند با f/11 تا f/15 مناسب عکاسی از ماه و سیارات هستند. یک تلسکوپ با f/5 می‌تواند از یک سحابی یا هر سوژه کم نوری در اعماق آسمان شب در مدت 1/4 زمان تلسکوپی با نسبت کانونی f/10 تصویربرداری کند.

در مورد ستاره‌ها، بزرگی دهانه تلسکوپ اهمیت بیشتری دارد هر چه دهانه تلسکوپ بزرگتر باشد ستاره‌های کم‌نورتری را می‌توانید ببینید یا عکاسی کنید.

اما چه نسبت کانونی (f) برای شما بهتر است؟

اگر قصد رصد سیارات منظومه شمسی و ماه را دارید سراغ تلسکوپی بروید که قطر دهانه بزرگ و نسبت کانونی زیادی داشته باشد.

اگر قصد عکاسی از اعماق آسمان شب را دارید سراغ تلسکوپی بروید که قطر دهانه بزرگ و نسبت کانونی کمی داشته باشد.

و اگر قصد هر دو کار را دارید  تلسکوپی بخرید که قطر دهانه بزرگ و نسبت کانونی بزرگی داشته باشد و برای آن یک کاهنده نسبت کانونی تلسکوپ تهیه کنید.

_{مترجم: رامین پوره - آبان 1401}

منابع:

What the “f/ratio” Means in Telescope Lingo – Telescope School

Focal Ratio | Astronomics.com