Telescopio
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Il telescopio è il più importante strumento nelle mani degli astronomi: nel suo senso più generale, raccoglie e focalizza la radiazione elettromagnetica. I telescopi aumentano la grandezza apparente degli oggetti, assieme alla loro luminosità. Galileo fu il primo ad usare un telescopio per fini astronomici.
Con il termine "telescopio" ci si riferisce generalmente ad un telescopio ottico, ma si costruiscono telescopi per la maggior parte dello spettro elettromagnetico.
I radio telescopi sono antenne radio che, al pari degli specchi dei telescopi che lavorano in ottico, focalizzano la radiazione, amplificandola, nel fuoco geometrico dell'antenna dove è posto il detector che raccoglie il segnale radio. Sono a volte costruiti con una griglia di fili conduttori, le cui aperture sono più piccole della lunghezza d'onda osservata. I radio telescopi sono spesso usati a coppie, o in gruppi più numerosi, per ottenere diametri "virtuali" proporzionali alla distanza tra i telescopi (vedi l'articolo sull'interferometria). I gruppi più grandi hanno collegato telescopi sui lati opposti della Terra. Questa tecnica viene adesso applicata anche ai telescopi ottici.
I telescopi per raggi X e raggi gamma hanno altri problemi, principalmente derivanti dal fatto che questi raggi possono attraversare il metallo e il vetro. Usano in genere degli specchi a forma di anello, messi quasi paralleli al fascio di luce incidente, che viene riflessa di pochi gradi. Gli specchi sono in genere una sezione di parabola ruotata.
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Telescopi ottici
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I telescopi ottici si dividono principalmente in due tipi, i rifrattori e i riflettori.
- Il primo è simile al telescopio originale di Galileo, ed usa come obiettivo una lente per focalizzare l'immagine.
- Il secondo lavora per riflessione: l'immagine riflessa su uno specchio di forma sferica (e parabolizzato) subisce un'altra riflessione su un secondo specchio che la conduce fuori del tubo ottico focalizzandola sull'occhio o sul dispositivo (CCD o pellicola fotografica) destinato a raccogliere il flusso luminoso.
I rifrattori, a parità di diametro, forniscono immagini più contrastate, ma presentano alcuni svantaggi: l'ingombro (lunghezza focale), flessioni del tubo per il peso, impossibilità di essere lavorati oltre un certo diametro. Un tipo particolare di rifrattore è il coronografo.
Non esiste differenza alcuna fra telescopi professionali e telescopi amatoriali né otticamente né meccanicamente parlando: l'unica differenza riguarda le dimensioni, più contenute nei telescopi amatoriali, per quanto i telescopi amatoriali a certi livelli sono per configurazione dei veri e propri strumenti professionali, soltanto di più piccole dimensioni.
Montature per telescopi
Per montatura (inglese mount, tedesco montierung, francese monture, spagnolo montura) di un telescopio s'intende l'apparato meccanico che si occupa di sostenere la componente strumentale ottica e di imprimere alla stessa i ruotismi necessari per mantenere l'oggetto osservato (stella o pianeta) permanentemente al centro del campo di osservazione. Tale apparato deve essere della massima robustezza e rigidità, avere flessioni contenute e costituisce il corpo principale di un telescopio.
Dal momento che la Terra ruota da Ovest verso Est (in senso antiorario quindi) la montatura per annullare il moto apparente degli astri (da Est verso Ovest) deve ruotare in senso orario ed allo stesso tasso di velocità della Terra, soddisfacendo questa condizione l'oggetto osservato rimarrà sempre -sino al suo tramonto- al centro del campo d'osservazione. È questo il cosiddetto moto di azimuth.
La montatura è pertanto composta da un insieme di meccanica, elettronica e software in cui ognuna di queste componenti svolge la sua parte:
- la meccanica si occupa di sostenere il tubo ottico (obiettibo riflettore o rifrattore) e di imprimere allo stesso le necessarie movimentazioni;
- l'elettronica si occupa di sovrintendere alle varie movimentazioni pilotando le motorizzazioni;
- il software si occupa di puntare (tramite l'elettronica e la meccanica) l'oggetto da osservare e di annullare residui errori strumentali mantenendolo permanentemente al centro del campo osservativo.
Tipi di Montature
Le montature per telescopi si dividono in due categorie principali: montature altazimutali e montature equatoriali.
Montatura altazimutale
È stata la prima montatura usata in quanto la più semplice da costruire non esistendo all'epoca cognizioni (soprattutto) meccaniche che consentissero di realizzare altri tipi di montature.Il telescopio si muove continuamente nei due sensi (azimuth e declinazione) per mantenere l'oggetto osservato al centro del campo.
Questa montatura, avendo l'asse principale (azimuth) perpendicolare al suolo, origina il fenomeno della cosiddetta rotazione di campo, secondo il quale l'immagine risultante ruota ad una velocità dipendente dalla declinazione del corpo celeste osservato. Quest'effetto ha reso sino a 20 anni fa circa le montature altazimutali inadatte alla fotografia a lunga posa sia per piccoli che grandi telescopi.
Con il progredire dell'elettronica e con la diffusione del software è stato agevole compensare questo effetto, per cui tutti i moderni e grandi telescopi vengono ora costruiti in montature altazimutali, dal momento che il software si prende cura di annullare, tramite elettronica dedicata, la rotazione di campo.
In una montatura altazimutale sono dunque tre gli assi in movimento: a)l'asse di azimuth che segue l'astro da Est ad Ovest; b) l'asse di declinazione che eleva il telescopio se l'oggetto osservato si trova ad Est del meridiano, lo abbassa se questo invece si trova ad Ovest, c)l'asse che sostiene la strumentazione che si occupa di annullare la rotazione di campo.
I grandi telescopi vengono sempre più sovente costruiti secondo il principio della montatura altazimutale anche perché si riducono le dimensioni strumentali e della cupola con notevole risparmio: a parità di diametro dello specchio principale l'ingombro di una montatura altazimutale è circa 1/3 minore di quello di una equatoriale.
Per di più la montatura altazimutale si presenta assai più robusta e rigida della montatura equatoriale in quanto il centro di gravità corrisponde con il centro dell'asse di rotazione (azimuth)m al contrario dell'equatoriale che presenta le masse spostate al di fuori del centro di gravità naturale. Montature moderne costruite secondo il principio dell'altazimutale sono l'NTT, il TNG, il VLT, l'LBT,...
La montatura altazimutale non può lavorare in prossimità del polo celeste.
- Montatura cosiddetta dobsoniana. La montatura è detta dobsoniana dal nome del suo ideatore, americano, Mr. Dobson. Trattasi di una montatura altazimutale costruita con materiali poveri e precari: alluminio leggero, ed assai più spesso, legno, compensato, e talvolta addirittura cartone pressato. Anche se equipaggia telescopi con specchi di generose dimensioni ed anche se molto in voga fra il mondo amatoriale specie anglosassone, non è una seria montatura, rasentando il giocattolo, ed è adatta solo per osservazioni visuali. Le notevoli escursioni termiche cui danno luogo i materiali di ordine legnoso, la fragilità dell'alluminio sottile,... la rendono inadatta per qualsiasi seria ricerca. Se costruita con criteri di rigidità e robustezza prende il nome di altazimutale.
Montature equatoriali
Le montature equatoriali si dividono in più categorie. Esse presentano tutte in comune due caratteristiche: una fisica ed una strumentale. La caratteristica fisica comune a tutte le montature equatoriali consiste nel fatto che l'asse principale di azimuth intorno a cui ruota tutta la massa strumentale presenta un'inclinazione variabile in funzione della latitudine del posto in cui lo strumento si trova: tale asse mira quindi il Polo Nord celeste.
L'altra caratteristica consiste nell'invariabilità della declinazione strumentale: una volta puntato l'oggetto celeste da osservare entra in funzione il solo moto siderale (di azimuth) e non c'è rotazione di campo.
Le principali montature equatoriali sono le seguenti:
- Montatura alla tedesca o di Fraunhofer. È stata questa la prima montatura equatoriale usata ed è tutt'ora usatissima nel campo amatoriale per la sua eventuale facile trasportabilità. In questa montatura il telescopio è sempre posizionato da una parte (ora ad Est ora ad Ovest del meridiano dell'osservatore) mentre dall'altra parte sono posti dei contrappesi che bilanciano il peso strumentale. La montatura è validissima ancora oggi ed è poco adatta soltanto ai telescopi robotizzati in quanto presenta il problema della reversibilità degli assi al meridiano: se si insegue un oggetto da Est ad Ovest, dal sogere al tramonto, quando questo si trova al meridiano, per poterne proseguire l'osservazione occorre riposizionare il telescopio invertendo la posizione telescopio-contrappesi. Questa montatura consente l'accessibilità al Polo.La montatura equatoriale di Fraunhofer
- Montatura fotografica. Unisce i vantaggi della montatura alla tedesca ed all'inglese. Inoltre è assai compatta e non presenta il problema della reversibilità degli assi al meridiano.
- Montatura inglese. La montatura inglese risolve il problema della revesibilità degli assi al meridiano: il telescopio è situato al centro di una culla che punta verso il Nord celeste. Questa montatura non consente l'accesso al meridiano. Una variante di questa montatura va considerata la
- montatura inglese fuori asse. Questa montatura presenta anziché un traliccio centrale, un robusto asse al cui lato è posizionato il telescopio e dalla parte opposta i contrappesi. Ricorda un poco la montatura tedesca e presenta anch'essa il problema della reversibilità degli assi ma consente l'accesso al polo.
- Montatura a forcella. È la più pratica delle montature equatoriali. Il telescopio è fissato all'interno di una forcella che punta il Polo Nord celeste. Consente l'accessibilità al polo e non ha problemi di reversibilità di assi. L'unico svantaggio è rappresentato dal fuori centro delle masse rispetto all'asse gravitazionale ideale, per cui deve essere della massima robustezza per non subire flessioni.
- Montatura Porter od a ferro di cavallo. Così chiamata perché ideata da Russel W. Porter per il telescopio da 200 pollici di Monte Palomar. Questa montatura fu ideata per l'impossibilità materiale di costruire una forcella idonea a contenere un telescopio da 5 metri: la forcella avrebbe dovuto presentare una sezione interna (braccio-braccio) di circa 6 metri. Si tratta di una montatura inglese modificata in cui l'asse superiore che punta il Nord celeste è sostituito da una ruota a ferro di cavallo entro cui può essere alloggiato il telescopio in modo da consentire osservazioni anche a basse declinazioni. La ruota a ferro di cavallo è rettificata e lappata ed il ruotismo è assicurato da una serie di rulli che trascinano la ruota che spinge gravitazionalmente su di essi. Non avendo queste montature ruote dentate e viti senza fine per il trascinamento, è ridotto pressoché a zero uno dei principali problemi meccanici dell'inseguimento: il periodismo della vite senza fine, problema che da solo meriterebbe una trattazione a parte.
- Montatura Spriengfield. Questa montatura, usata soprattutto a livello amatoriale, fu anch'essa ideata da Russel W. Porter, è assai compatta e permette all'osservartore una comoda osservazione.
Allineamento delle montature equatoriali
Ad eccezione della montatura altazimutale che non richiede alcun allinemento, le montature equatoriali vanno tutte allineate (orientate) verso il Polo Nord cleste con il loro asse principale, l'asse cioè attorno al quale ruota in 24 ore il telescopio per mantenere (ipoteticamente nelle 24 ore) l'oggetto osservato al centro del campo.
Qui si sono usati i due termini in senso improprio. In realtà si parla propriamente di orientamento significando dire così che l'asse del telescopio punta il Polo Nord celeste.
L'allineamento è invece il procedimento in base al quale, una volta che si sia posto in stazione il telescopio orientandolo verso il Polo Nord celeste, si procede ad un più corretto e preciso allineamento strumentale con il Polo. Per tale allineamento si ricorre al metodo detto di Bigurdan che consiste nel posizionare correttamente il telescopio mediante successive approssimazioni.
Altre montature
- La montatura altitude-altitude (alt-alt).
Un tipo particolare di montatura è la montatura detta alt-alt o, più tecnicamente altitude-altitude. Essa si colloca a metà strada fra la montatura equatoriale e la montatura altazimutale. Si tratta di una montatura all'inglese modificata la cui culla principale (la struttura meccanica ove è alloggiato il telescopio) anziché puntare al Nord celeste, è parallela al suolo. La montatura presenta il vantaggio di scaricare le masse al centro ideale gravitazionale dello strumento distribuendole in maniera equivalente su due assi (nella montatura inglese tutto il peso gravita sull'asse che punta al Polo Sud) senza dar luogo alle flessioni tipiche della montatura a forcella.
Per contro si ha la rotazione di campo che è in funzione sia della declinazione strumentale che della latitudine locale ove si trova lo strumento. Tuttavia, quando lo strumento lavora su oggetti che si trovano all'equatore celeste la rotazione di campo è pressoché eguale a zero. In via teorica la montatura può non essere allineata, ma un allineamento degli assi Nord-Sud o Est-Ovest è essenziale per ridurre il fenomeno della rotazione di campo sopra accennato. Una descrizione tecnica di questa montatura si trova a questo sito, ove è scaricabile anche un piccolo programma che consente di scegliere l'allineamento ottimale della montatura in funzione della latitudine.
Montature per telescopi solari
Le montature per telescopi solari differiscono per vari particolari da quelle costruite per i telescopi destinati all'osservazione della volta celeste. I telescopi solari posseggono focali lunghissime ed è impossibile movimentare un tubo ottico di tali dimensioni; lo specchio inoltre non è parabolizzato, ma sferico. La montatura di un telescopio solare è la parte ottica meccanica che serve ad indirizzare la luce del Sole in un tubo che è o coricato sul terreno, o perpendicolare ad esso, o leggermente inclinato e che presenta dimensioni che variano da 30 metri a qualche centinaio di metri.
Così, tramite un sistema di specchi si opera il rinvio della sorgente luminosa solare all'interno del tubo ottico ove l'immagine subisce il consueto trattamento che abbiamo imparato a conoscere: ingrandimento, focalizzazione, osservazione e studio.
Lo strumento destinato a raccogliere l'immagine del Sole ed ad indirizzarla nel tubo ottico prende il nome di Eliostata.
L'Eliostata è composto da uno specchio piano inclinato equatorialmente che ruota per inseguire il Sole e che dirige l'immagine catturata su di un secondo specchio piano che rinvia l'immagine allo specchio principale sferico che provvede ad amplificarla e focalizzarla nel fuoco geometrico dello specchio principale dove si trova la strumentazione. Per una immediata compresnsione del funzionamento vedi la foto dell'Eliostata Zeiss
A motivo della doppia riflessione lo specchio primario (equatorialmente inclinato) non compie un'intera rotazione su se stesso in 24 ore (circa), bensì in 48 ore (circa)
Lo specchio principale va spostato durante i diversi periodi dell'anno a motivo della diversa altezza del Sole sull'orizzonte in inverno, primavera, ed estate.
Configurazioni ottiche
Per configurazione ottica s'intende il particolare tipo di percorso che la radiazione luminosa compie in funzione delle superfici riflettenti (sferiche o piane che siano) e rifrangenti che incontra nel suo percorso.
Il discorso sulle configurazioni ottiche riguarda soprattutto i telescopi a riflessione, cioè a specchio. Non ha senso parlare di configurazioni ottiche nel caso dei rifrattori unicamente perché la configurazione ottica è sempre la stessa: ciò che varia è soltanto la configurazione geometrica della lente obiettivo che può essere costituita di due, tre, quattro ed anche più elementi, spaziati fra di loro in aria e costituiti di vetri di prima scelta e qualità. L'unico accenno diversificativo va fatto forse soltanto in riferimento al coronografo: vedi sopra.
Completamente diverso è invece il discorso per quanto riguarda i telescopi a riflessione: qui le configurazioni ottiche sono diversissime e rispondono ciascuna a diverse esigenze.
Prima di esaminare le varie configurazioni è bene precisare che nei telescopi a riflessione l'elemento basilare della costruzione è il vetro unicamente perché il vetro risponde a due requisiti fondamentali: duttilità nella lavorazione e bassissimo coefficiente di dilatazione termica. Sono questi i soli ed unici motivi cui la componente basilare ottica dei telescopi a riflessione è il vetro. Si tratta dello stesso motivo per cui in passato le barche si costruivano prevalentemente in legno: non perché il legno galleggia, bensì perché il legno obbedisce ai requisiti della facile lavorabilità, della coesione, della resistenza,...
Il vetro una volta lavorato secondo la figura geometrica della parabola o dell'iperbole a seconda del caso funge soltanto ed unicamente da superficie di supporto. Su questa superficie viene poi depositato tramite un particolare procedimento denominato alluminatura, praticato in camere a vuoto spinto, un sottilissimo strato di alluminio che lo rende riflettente ed idoneo a raccogliere (amplificandola e riflettondola) la radiazione luminosa.
Approfondimenti a: http://www.phys.uniroma1.it/web_disp/d5/dispense/capitolo6.pdf
Configurazione newtoniana
Il telescopio newtoniano è costituito da due specchi; un primario sferico parabolizzato ed un secondario ellittico piano sostenuto da una raggera che trasporta l'immagine fuori dal tubo ottico.
Configurazione Cassegrain
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Il telescopio Cassegrain è costituito da due specchi: il primario sferico e parabolizzato ed il secondario ellittico iperbolizzato. Lo specchio primario è forato e l'osservazione della sorgente luminosa avviene dietro a questo. Il percorso luminoso segue in questo caso un doppio tragitto all'interno del tubo ottico, il che consente di avere focali lunghe in uno strumento abbastanza compatto.
- Configurazione Nasmyth Una variante del Cassegrain è la configurazione Nasmyth. In questo caso alla classica configurazione Cassegrain si aggiunge un terzo specchio (piano), situato lungo l'asse di declinazione strumentale che estrae il fuoco all'interno dell'asse. L'osservazione della sorgente avviene così all'estremità dell'asse di declinazione ove sono collocati gli strumenti di osservazione. In questo caso lo specchio primario non è forato
Telescopio gregoriano
Configurazione Ritchey-Chrétien
Il Ritchey-Chrétien è un telescopio di tipo aplanatico, esente cioè da aberrazioni sferiche e di coma. È composto da due specchi con superfici particolari e otticamente non usuali. Ha un campo normale utile tra 0,8 e 1,5 gradi. Richiede una lente detta spianatrice di campo. La tecnica, sofistica, del Ritchey-Chrétien è oggi assai usata specie in strumenti professionali per aerofotogrammetria e controllo del territorio. Con questa combinazione ottica sono stati costruiti grandi telescopi come il 150 cm metri di Loiano (Italia), il 4 metri di Siding Spring (Australia), il Kitt Peak Cerro Tololo (Cile). Il vantaggio di questa architettura ottica è la grande compattezza, il tubo può infatti essere lungo fino alla metà della lunghezza focale. Per andare oltre occorre la configurazione Maksutov.
Telescopio Cassegrain
La maggior parte dei telescopi opera come un cassegrain (lunga focale, e un campo di vista più piccolo con maggiore ingrandimento) o newtoniano. Hanno uno specchio primario forato, un fuoco newtoniano, e un braccio meccanico per poter montare differenti specchi secondari.
Una nuova era è stata inaugurata dall'MMT, un telescopio ad apertura multipla composta da sei segmenti, che insieme vanno a formare uno specchio virtuale di 4,5 metri di diametro. Il suo esempio è stato seguito dal telescopio Keck, un telescopio segmentato da 10 metri.
La generazione attuale di telescopi in costruzione ha uno specchio primario tra 8 e 10 metri. Gli specchi sono in genere molto sottili e deformabili, e sono tenuti nella loro posizione ottimale da una serie di attuatori (vedi ottica attiva). Grazie a questa tecnologia, stanno nascendo progetti per telescopi del diametro di 30, 50 e addirittura 100 metri.
Telescopio Schmidt Cassegrain
Telescopio Maksutov Cassegrain
Sensori
Inizialmente, il sensore usato nei telescopi era l'occhio umano. In seguito, la lastra fotografica prese il suo posto, e fu introdotto lo spettrografo, permettendo agli astronomi di avere informazioni sullo spettro di una sorgente. Dopo la lastra fotografica, varie generazioni di sensori elettronici come i CCD sono state perfezionate, ognuna con una maggiore sensibilità e risoluzione.
I telescopi moderni contengono numerosi strumenti tra cui scegliere quello più adatto: camere per immagini, con diversa risposta spettrale. Spettrografi per varie lunghezze d'onda. Polarimetri, che possono rilevare la direzione della luce polarizzata, eccetera.
In anni recenti, sono state sviluppate delle tecnologie per far fronte al problema della distorsione delle immagini introdotta dall'atmosfera, con buoni risultati. Si tratta principalmente di specchi di tip-tilt e dell'ottica adattiva.
Limiti dei telescopi
Il fenomeno della diffrazione ottica pone un limite alla risoluzione che un telescopio può raggiungere. Si tratta in pratica dell'area effettiva del disco di Airy, che pone un limite a quanto vicini possono essere due dischi. Questo limite assoluto è chiamato limite di risoluzione di Sparrow, e più comunemente limite di diffrazione. Dipende dalla lunghezza d'onda della luce osservata e dal diametro del telescopio. Ciò significa che un telescopio di un certo diametro può risolvere fino ad un certo punto oggetti osservati in una certa lunghezza d'onda. Se si vuole una risoluzione maggiore alla stessa lunghezza d'onda, occorre usare un telescopio più grande.
Telescopi celebri
- Il Telescopio Spaziale Hubble si trova in orbita, fuori dall'atmosfera terrestre, per evitare che le immagini siano distorte dalla rifrazione. In questo modo il telescopio lavora sempre al suo limite di diffrazione, e può essere usato per osservazioni nell'infrarosso e nell'ultravioletto.
- Il Very Large Telescope (VLT) è attualmente (2003) il più grande esistente, composto da quattro telescopi ognuno di 8 metri di diametro. Appartenente all'ESO e costruito nel deserto di Atacama in Cile, può funzionare come quattro telescopi separati o come uno solo, combinando la luce proveniente dai quattro specchi.
- Il più grande specchio singolo è quello del telescopio Keck, con diametro di 10 metri. Il Keck è però composto da 36 segmenti più piccoli.
- Esistono molti progetti per telescopi ancora più grandi, per esempio il Overwhelmingly Large Telescope (telescopio spaventosamente grande), in genere chiamato OWL, con l'obiettivo di un diametro di 100 metri.
- Il telescopio Hale posto sul Monte Palomar, largo 5 metri, è stato per molto tempo il più grande per molti anni. Ha un singolo specchio di borosilicato (Pyrex (tm)), che fu notoriamente difficile da costruire. Anche la montatura è unica, una montatura equatoriale senza forcella, che nonostante ciò permette al telescopio di puntare molto vicino al polo celeste.
- Il telescopio del Monte Wilson, da 2,5 metri, fu usato da Edwin Hubble per provare l'esistenza delle galassie, e per analizzare il loro spostamento verso il rosso. È adesso parte di un array assieme ad altri telescopi sullo stesso monte, ed è ancora utile per ricerche avanzate.
- Il rifrattore da 91 centimetri dello Yerkes Observatory nello stato del Wisconsin, USA, è il più grande rifrattore orientabile al mondo.
Voci correlate
- Telescopio rifrattore
- Telescopio riflettore
- Telescopio amatoriale
- Storia dei telescopi
- Cronologia dei telescopi, degli osservatori e delle tecnologie di osservazione
- Lista dei telescopi rifrattori più grandi
- Lista dei telescopi riflettori più grandi