Gli strumenti astronomici

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1 Gli strumenti astronomici Il cannocchiale, come strumento di indagine astronomica, è nato con Galileo all inizio del Da allora la tecnica e la tecnologia si sono sviluppate in modo vertiginoso portando la conoscenza astronomica a livelli inimmaginabili fino al secolo scorso. Questa dispensa vuole essere solo un approccio conoscitivo alla varietà di telescopi esistenti, al loro funzionamento e ai loro limiti. Breve storia Già Euclide ed Archimede, avendo studiato ottica e contribuendo notevolmente alla conoscenza di essa, sapevano dell esistenza delle lenti. Il più antico documento che parla delle lenti risale al 423 a.c. Si tratta di una commedia di Aristofane, in un brano di essa si parla di pietre trasparenti capaci di proiettare l immagine del Sole provocando lo scioglimento di scritti di cera. Solo alla fine del 1200 si ebbe un decisivo sviluppo delle lenti grazie ad un artigiano accortosi che se un presbite guardava attraverso lenti convergenti, migliorava decisamente la visione. Nel 1608 un occhialaio olandese brevettò uno strumento per vedere lontano. Questo strumento era formato da una lente convergente e (obiettivo) e una divergente (oculare). Galileo, che a quel tempo lavorava presso il Doge di Venezia, venne a conoscenza di questo strumento l anno successivo. Con le poche conoscenze apprese, riuscì a far costruire a Padova il cannocchiale (come lui stesso lo chiamo, dalla contrazione delle parole cannone e occhiale). L evoluzione andò avanti per gradi fino agli inizi del1800 quando con Fraunhofer il telescopio rifrattore raggiunse un ottimo grado di lavorazioni. Questi ultimi obiettivi sono apprezzati ancora oggi. E gli obiettivi a specchi? Isaac Newton nel 1672 costruì un telescopio a specchi, specchio primario di soli 37 mm e 160 mm di focale. Non fu egli tuttavia il primo a creare un telescopio a specchi. Molto tempo prima si aveva già la convinzione che le lenti potessero essere sostituite da specchi, ma a Newton si attribuisce il merito di avere aperto una nuova strada. Un impulso decisivo allo sviluppo dei riflettori lo diede William Herschel (scopritore di Urano) che costruì ottimi obiettivi fino ad un diametro di 122 cm! Negli ultimi 50 anni si è avuta un evoluzione rapidissima degli strumenti fino ai telescopi ad alta tecnologia e al gioiello del telescopio spaziale (Hubble Space Telescope). 1

2 1) IL RIFRATTORE ACROMATICO I TELESCOPI Obiettivo acromatico composto da due lenti,quella anteriore (Crown), e quella posteriore (Flint). Vantaggi: mancanza ostruzione centrale, alta definizione dell immagine e tubo chiuso che elimina correnti d aria interne. Ottimo per l osservazione planetaria e stellare. Svantaggi: ingombro elevato e alto costo 2) IL RIFLETTORE NEWTON Composto da uno specchio primario con la superficie riflettente di forma parabolica e uno specchio secondario ellittico (sezione a 45 di un cilindro) con la superficie riflettente perfettamente piana. Vantaggi: rapporto resa prezzo ottimale e luminosità elevate, molto vantaggioso per la fotografia. 2

3 Svantaggi: Tubo aperto, ostruzione dovuta al secondario che diminuisce il potere risolutivo del telescopio e l ingombro. 3) IL RIFLETTORE CASSEGRAIN Composto da uno specchio primario parabolico forato al centro e uno specchio secondario di forma iperbolica. Vantaggi: ingombro ridottissimo anche con focali lunghe. Svantaggi: tubo aperto, ostruzione del secondario, alto costo nella lavorazione dello specchio secondario. 4) IL RIFLETTORE SCHMIDT Strumento fotografico composto da uno specchio primario sferico ed una lastra di vetro opportunamente lavorata per correggere le aberrazioni dell obiettivo. Vantaggi: campo perfettamente corretto da tutte le aberrazioni, luminosità elevatissima. Svantaggi: strumento solamente fotografico, alto costo. 3

4 5) IL RIFLETTORE SCHMIDT-CASSEGRAIN Il più diffuso riflettore per l astronomia amatoriale composto da uno specchio primario sferico forato, uno specchio secondario iperbolico come il Cassegrain e una lastra correttrice come lo Schmidt classico che sorregge il secondario. Vantaggi: ingombro ridottissimo, tubo chiuso, innumerevoli accessori. Svantaggi: costo relativamente elevato, notevole ostruzione del secondario, campo curvo. 3) IL BINOCOLO Il primo strumento per osservare il cielo perchè è facile da usare, ha un campo visivo molto vasto, non ha bisogno di montature complesse, basta un treppiede fotografico ed è relativamente economico nelle piccole aperture. La sigla (es. 10X50), per le identificazioni delle caratteristiche ottiche, vuole dire: 10X è l ingrandimento e 50 sono il diametro dell obbiettivo espresso in mm. 4

5 GLI OCULARI Sono accessori indispensabili per la visione al telescopio, perchè ci permettono di vedere l immagine raccolta dallo strumento principale. Infatti senza l oculare è impossibile osservare con l occhio. Di oculari c è ne sono molti tipi, si va dal Galileiano,oggi non più in uso ad esclusione dei binocoli da teatro,a sistemi ottici complessi con molte lenti per aumentare la qualità e facilitare la visione. Di seguito, in modo sintetico, sono presentati gli schemi ottici più in uso dai dilettanti. Oltre al nome saranno descritte alcune caratteristiche, come l estrazione pupillare (E) che è la distanza tra la lente oculare e l occhio,il campo apparente e il rapporto focale minimo di un telescopio che l oculare sopporta. Huygens (H) Campo apparente 30 Apertura critica f/8 Kellner (K) Campo apparente 40 Apertura critica f/8 5

6 Ortoscopico di Abbe (Or) Campo apparente 45 Apertura critica f/4 Plossl (Pl) Campo aparente 50 Apertura critica f/4 Erfle (Er) Campo apparente 60 Apertura critica f/4 6

7 IL NOSTRO OCCHIO L occhio è il primo strumento astronomico di cui ci possiamo servire. Funziona nel seguente modo: la luce proveniente dall esterno subisce una prima rifrazione sulla superficie anteriore della cornea, passa poi attraverso l umore acqueo della camera anteriore e raggiunge il cristallino, che ha la capacità di modificare la propria forma per una corretta focalizzazione dell immagine sulla retina. La caratteristica maggiore dell occhio è l acuità visiva, che viene definita dalla dimensione angolare del più piccolo dettaglio risolto visibile all occhio umano, solitamente il valore adottato è quello di 1 primo d arco.questo valore è riferito a condizioni di luce normali e a quella parte del campo visivo che cade all interno della fovea, dove si trovano addensati i coni, cioè i fotorecettori responsabili della visione distinta delle cose e dei colori.superata questa zona della retina, oppure in scarse condizioni luminose, entrano in gioco un altro tipo di fotorecettori, i bastoncelli, specializzati nel cogliere sorgenti luminose molto basse.essi si posizionano in una zona periferica dell occhio, a differenza dei coni che si trovano al centro. Ed è per questo motivo che la visione di una sorgente molto debole è meglio visibile con la cosidetta coda dell occhio o visione distorta che guardandola direttamente. Tuttavia, pur riuscendo a localizzare luci molto basse, i bastoncelli non hanno una grande capacità di definizione, infatti, in condizioni di luce minimale, l occhio non riesce a scorgere dettagli, anche se, dopo un certo periodo di adattamento, consente all uomo di potersi muovere tranquillamente nel buio. L acuità visiva dipende in ogni caso da una moltitudine di fattori che riguardano lo stato di salute dell occhio, l abitudine a certe condizioni di luce, la conformazione dell occhio stesso, il fattore psicologico, l età. Durante l osservazione astronomica si è portati ad utilizzare un solo occhio, escludendo le informazioni dateci dall altro strizzandolo. Questo provoca però un certo affaticamento dovuto alla tensione muscolare. Con la pratica e l esercizio si può arrivare a osservare con entrambi gli occhi aperti, riuscendo a cancellare l immagine indesiderata.per una corretta osservazione si dovrebbe inoltre mettere la retina nelle condizioni ottimali per non affaticarla: le ciglia non dovrebbero interferire con la montatura dell oculare; la visione completa dell oculare dovrebbe coincidere perfettamente con la visione dell occhio, così da non avere la sensazione di stare osservando da un tubo. L occhio è lo strumento più prezioso ed evoluto che abbiamo, impariamo a conoscerlo, le sue potenzialità, se ben usate, sono inimmaginabili. 7

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10 I Bastoncelli sono 100 volte più sensibili dei Coni. PRINCIPI FONDAMENTALI DI OTTICA 1) RIFRAZIONE Legge di Snell-Cartesio: sen i / sen r = n (indice di rifrazione) 10

11 2) RIFLESSIONE angolo di incidenza=angolo di riflessione i =r 3) VARI TIPI DI LENTI 4) CARATTERISTICHE DI UN OBIETTIVO 5) PUNTI CONIUGATI 11

12 1/P + 1/q = 1/F La formula dei punti coniugati permette di conoscere a quale distanza dalla lente e del fuoco si forma l immagine. 6) FORMAZIONE DELL IMMAGINE 12

13 7) INGRANDIMENTO 8) POTERE RISOLUTIVO 13

14 Poichè la radiazione luminosa è di tipo ondulatorio, le stelle formano una figura di difrazione, chiamata disco di Airy quando viene considerata la sola parte interna a R1. Il potere risolutivo è il minimo angolo sotto il quale si riescono a mantenere separati due oggetti puntiformi. Per l occhio umano tale angolo vale 60 (secondi d arco). 9) CAPACITA DI RACCOGLIERE LUCE Il telescopio è fondamentalmente un imbuto di luce G è il guadagno in luminosità rispetto all occhio umano D è il diametro dell obiettivo e d è il diametro dell occhio (circa 0,7 cm) 14

15 LE ABERRAZIONI Si dividono in: ASSIALI (di sfericità e cromatica) PARASSIALI (coma, astigmatismo e dirtorsione) Le aberrazioni sono delle deformazioni delle immagineconseguenti alla natura degli obiettivi impiegati per formarla. ABERRAZIONE CROMATICA La figuyra mostra gli effetti della aberrazione cromatica: I raggi rossi vengono focalizzati più lontano di quelli blù. Questo effetto è dovuto alla rifrazione, ovvero al fatto che l indice di rifrazione varia al variare della lunghezza d onda. CLASSIFICAZIONE DEGLI OBIETTIVI Acromatico: Corretto dall aberrazione cromatica Aplanatico: Corretto dall aberrazione sferica e dal coma Apocromatico: L insieme dei precedenti 2 tipi ABERRAZIONE SFERICA L aberrazione di sfericità crea diversi piani focali su cui si sovrappongono, più o meno sfocate, le immagini tutti I piani conpresi fra il fuoco marginale e il fuoco parassiale. Le immagini risultanti sono contornate da un alone iridescente che ne riduce contrasto e nitidezza. 15

16 COMA L aberrazione chiamata coma è causata da una mancanza di sovrapposizione dei fasci luminosiche attraversano la lente in differenti zone. DISTORSIONE Sono affetti da distorsione gli obiettivi che mostrano le immagini incurvate ai bordi. ASTIGMATISMO Se le stelle appaiono sotto forma di piccole crocettesi è in presenza di astigmatismo. 16