Sự ra đời của kính thiên vănKính thiên văn là một trong những dụng cụ khoa học quan trọng nhất do con người sáng tạo ra vào cuối thế kỷ 16 và đầu thế kỷ 17. Có rất ít dụng cụ mà chúng ta có thể dễ dàng nhận diện như kính thiên văn, cả về hình thức bên ngoài lẫn mục đích sử dụng của chúng.
Vào năm 1608, một nhà chế tạo kính mắt người Hà Lan tên là Hans Lipperhey đã sáng chế thành công một công cụ đặc biệt, sử dụng thấu kính để làm cho các vật thể ở xa nhìn có vẻ gần hơn. Ông đã đăng ký bằng sáng chế cho thiết bị mới của mình, và thiết bị này nhanh chóng lưu hành khắp châu Âu. Các nhà khoa học khác cũng bắt đầu thử nghiệm những phiên bản kính thiên văn của riêng họ, trong số đó có nhà bác học người Ý Galileo Galilei.
Kính thiên văn đầu tiên của Galileo – cũng giống như phiên bản trước đó của Lipperhey – chỉ có độ phóng đại gấp 3 lần, nhưng sau nhiều lần cải tiến Galileo đã nâng độ phóng đại của nó lên gấp 8 lần và cuối cùng là 30 lần.
Những kính thiên văn có độ phóng đại lớn đã giúp Galileo quan sát các thiên thể trong vũ trụ rõ ràng hơn. Không lâu sau, ông đã công bố các kết quả nghiên cứu mới của mình, trong đó bao gồm những quan sát trái ngược với niềm tin trước đây của Aristotle. Ví dụ, Mặt trăng không phải là một hình cầu nhẵn mà là một vệ tinh tự nhiên có bề mặt xù xì giống như Trái đất với những chỗ lõm và các ngọn núi riêng biệt. Ông đã xác định sự tồn tại của bốn mặt trăng quay quanh sao Mộc. Đây là những thiên thể đầu tiên được nhìn thấy quay quanh một thiên thể khác ngoài Trái đất hoặc Mặt trời. Ngoài ra, ông cũng phát hiện chuyển động của sao Kim trên quỹ đạo không phù hợp với mô hình vũ trụ truyền thống lấy Trái đất làm trung tâm. Do đó, ông đã ủng hộ thuyết nhật tâm của Nicolaus Copernicus, một học giả người Ba Lan.
Giống như một số nhà khoa học đương thời, Galileo cũng dùng kính thiên văn để quan sát các vết đen trên bề mặt Mặt trời. Ông cho rằng các vết đen này di chuyển do chuyển động quay của Mặt trời – đây là một bằng chứng khác chống lại quan điểm của Aristotle về một vũ trụ hoàn hảo không thay đổi.
Những cải tiến quan trọngNăm 1611, nhà thiên văn người Đức Johannes Kepler đã thiết kế và chế tạo Kính thiên văn Kepler nổi tiếng. Đây là một sự cải tiến đáng kể so với kính thiên văn trước đây của Lipperhey và Galileo. Kepler sử dụng thấu kính lồi, giúp người quan sát có trường nhìn rộng hơn (mặc dù nó cũng đảo ngược hình ảnh). Kính thiên văn Kepler có độ phóng đại lớn hơn nhiều so với phiên bản kính thiên văn của Galileo, điều này không chỉ cho phép ông xác nhận những quan sát trước đây của Galileo mà còn thực hiện các quan sát của riêng mình.
Ngày nay, người ta thường nhớ đến Kepler vì những đóng góp của ông cho thiên văn học, nhưng ông cũng có ảnh hưởng cực kỳ lớn trong lĩnh vực quang học. Với tác phẩm mang tính đột phá “Astronomiae Pars Optica” (Phầnquang họccủa thiên văn học) xuất bản năm 1604, ông còn được mệnh danh là cha đẻ của quang học hiện đại.
Công trình của Kepler có ý nghĩa quan trọng đối với Isaac Newton, người đã tiếp tục phát triển và cải tiến kính thiên văn thời kỳ đầu cũng như xây dựng các định luật quang học liên quan đến nguyên lý hoạt động của chúng.
Thay vì sử dụng thấu kính phóng to hình ảnh, Kính viễn vọng Newton [chiếc đầu tiên được chế tạo vào năm 1668] dùng gương để phản xạ ánh sáng. Cấu tạo của nó bao gồm một gương lõm lớn có nhiệm vụ hội tụ ánh sáng vào một gương nhỏ hơn, sau đó chiếc gương này phản chiếu hình ảnh lên một thị kính đặt ở mặt bên của thiết bị.
Sự thay đổi của Newton đã khắc phục thành công một nhược điểm lớn trong các kính thiên văn khúc xạ truyền thống gọi là “quang sai màu” – hiệu ứng xảy ra khi một thấu kính không thể khúc xạ chính xác tất cả các màu sắc ánh sáng tại cùng một điểm.
Có lẽ Newton không phải là người đầu tiên quan tâm đến kính thiên văn phản xạ, nhưng phiên bản do ông chế tạo có một số ưu điểm nổi bật. Nó rẻ hơn, không tạo ra quang sai màu, đồng thời dễ lắp ráp và dễ mang theo. Newton cho rằng kính thiên văn phản xạ là cách duy nhất giải quyết vấn đề quang sai màu. Tuy nhiên vào năm 1729, nhà phát minh người Anh Chester Moore Hall đã chứng minh quan điểm của Newton là sai khi phát triển một thấu kính mới gồm hai loại thủy tinh gắn liền với nhau, có khả năng khắc phục các vấn đề tương tự.
Sáng chế của Chester Moore Hall cho thấy kính thiên văn khúc xạ vẫn có thể hoạt động tốt giống như kính thiên văn phản xạ.
Không lâu sau, một cuộc chạy đua đã nổ ra trong cộng đồng thiên văn học, nơi các nhà nghiên cứu cạnh tranh nhau để tạo ra những phiên bản ngày càng lớn của kính thiên văn. Một trong những thiết bị nổi tiếng nhất là kính thiên văn phản xạ của William Herschel được chế tạo vào năm 1789. Gương chính của nó có đường kính 1,2m và tiêu cự lên tới 12m.
Trong thế kỷ 19, các kính thiên văn lớn khác lần lượt ra đời. Năm 1897, Đài quan sát Yerkes ở Wisconsin, Mỹ chính thức đi vào hoạt động với một thấu kính khúc xạ khổng lồ có đường kính 1m. Vào thời điểm đó, đây là kính thiên văn khúc xạ lớn nhất trên thế giới. Đài quan sát Yerkes vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay.
Đến thế kỷ 20, những chiếc kính thiên văn lớn nhất và hoạt động hiệu quả nhất chủ yếu là các phiên bản kính thiên văn phản xạ.
Tuy nhiên, vấn đề đặt ra đối với kính thiên văn trên mặt đất khi nhìn qua bầu khí quyển, đó là ánh sáng từ các thiên thể ở xa sẽ bị hấp thụ hoặc biến dạng. Để khắc phục vấn đề này, nhà thiên văn học Lyman Spitzer lần đầu tiên đề xuất ý tưởng xây dựng một kính thiên văn hoạt động trong không gian vào những năm 1940.Hình ảnh thu được sẽ sắc nét hơn rất nhiều so với kính thiên văn trên mặt đất.
Đến thập niên 1970, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) hợp tác với Cơ quan Vũ trụ châu Âu nhằm thiết kế và xây dựng Kính viễn vọng Không gian Hubble.Tháng 4/1990, năm phi hành gia trên tàu con thoi Discovery đã triển khai thành công Kính viễn vọng Không gian Hubble trên quỹ đạo cách bề mặt Trái đất khoảng 600km.
Tháng 12/2021, NASA tiếp tục triển khai Kính viễn vọng không gian James Webb(JWST), kính thiên văn lớn nhất và mạnh nhất mà con người từng đưa vào không gian. Các nhà khoa học mô tả JWST như một siêu cỗ máy thời gian hồng ngoại, giúp nhìn ngược 13,5 tỷ năm để quan sát các ngôi sao đầu tiên và thiên hà hình thành trong bóng tối của vũ trụ sơ khai.
Ngày nay, hầu hết kính thiên văn trong các đài quan sát hoặc trong vũ trụ đều sử dụng gương phản xạ thay vì thấu kính. Những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực quang học và phương pháp chế tạo thấu kính ngày càng hoàn thiện trong các thế kỷ trước đã tạo ra nền tảng vững chắc cho những nỗ lực hiện tại của chúng ta trong việc khám phá vũ trụ.