Astronomia osservativa - Observational astronomy

Un'assemblea in Estonia per osservare le meteore

Osservativa è una divisione di astronomia che si occupa di registrazione dati sul universo osservabile , in contrasto con l'astronomia teorica , che riguarda principalmente il calcolo delle implicazioni misurabili di modelli fisici . È la pratica e lo studio dell'osservazione degli oggetti celesti con l'uso di telescopi e altri strumenti astronomici.

Come scienza , lo studio dell'astronomia è alquanto ostacolato in quanto non sono possibili esperimenti diretti con le proprietà dell'universo lontano . Tuttavia, questo è in parte compensato dal fatto che gli astronomi hanno un vasto numero di esempi visibili di fenomeni stellari che possono essere esaminati. Ciò consente di tracciare i dati osservativi su grafici e di registrare le tendenze generali. Esempi vicini di fenomeni specifici, come le stelle variabili , possono quindi essere utilizzati per dedurre il comportamento di rappresentanti più distanti. Questi parametri distanti possono quindi essere utilizzati per misurare altri fenomeni in quella zona, inclusa la distanza da una galassia .

Galileo Galilei volse il telescopio verso il cielo e registrò ciò che vide. Da quel momento, l'astronomia osservativa ha fatto progressi costanti con ogni miglioramento della tecnologia dei telescopi.

suddivisioni

Una divisione tradizionale dell'astronomia osservativa si basa sulla regione dello spettro elettromagnetico osservata:

metodi

Oltre a utilizzare la radiazione elettromagnetica, gli astrofisici moderni possono anche effettuare osservazioni utilizzando neutrini , raggi cosmici o onde gravitazionali . L'osservazione di una fonte utilizzando più metodi è nota come astronomia multi-messaggero .

Fotografia Ultra HD scattata all'Osservatorio di La Silla .

L'astronomia ottica e radiofonica può essere eseguita con osservatori a terra, poiché l'atmosfera è relativamente trasparente alle lunghezze d'onda rilevate. Gli osservatori sono solitamente situati ad alta quota in modo da ridurre al minimo l'assorbimento e la distorsione causati dall'atmosfera terrestre. Alcune lunghezze d'onda della luce infrarossa sono pesantemente assorbite dal vapore acqueo , quindi molti osservatori a infrarossi si trovano in luoghi asciutti ad alta quota o nello spazio.

L'atmosfera è opaca alle lunghezze d'onda utilizzate dall'astronomia a raggi X, dall'astronomia a raggi gamma, dall'astronomia UV e (ad eccezione di alcune "finestre di lunghezze d'onda") dall'astronomia del lontano infrarosso , quindi le osservazioni devono essere effettuate principalmente da palloni o osservatori spaziali. Tuttavia, i potenti raggi gamma possono essere rilevati dalle grandi piogge d'aria che producono e lo studio dei raggi cosmici è un ramo dell'astronomia in rapida espansione.

Fattori importanti

Per gran parte della storia dell'astronomia osservativa, quasi tutte le osservazioni sono state eseguite nello spettro visivo con telescopi ottici . Mentre l'atmosfera terrestre è relativamente trasparente in questa porzione dello spettro elettromagnetico , la maggior parte del lavoro del telescopio dipende ancora dalle condizioni di visibilità e dalla trasparenza dell'aria, ed è generalmente limitato alla notte. Le condizioni di visibilità dipendono dalla turbolenza e dalle variazioni termiche dell'aria. Luoghi che sono spesso nuvolosi o soffrono di turbolenze atmosferiche limitano la risoluzione delle osservazioni. Allo stesso modo la presenza della Luna piena può illuminare il cielo con luce diffusa, ostacolando l'osservazione di oggetti deboli.

Tramonto sugli osservatori di Mauna Kea.

Ai fini dell'osservazione, la posizione ottimale per un telescopio ottico è senza dubbio nello spazio . Lì il telescopio può fare osservazioni senza essere influenzato dall'atmosfera . Tuttavia, al momento rimane costoso portare i telescopi in orbita . Quindi le prossime migliori posizioni sono alcune cime montuose che hanno un alto numero di giorni senza nuvole e generalmente possiedono buone condizioni atmosferiche (con buone condizioni di seeing ). Le cime delle isole di Mauna Kea, Hawaii e La Palma possiedono queste proprietà, così come in misura minore siti dell'entroterra come Llano de Chajnantor , Paranal , Cerro Tololo e La Silla in Cile . Queste posizioni dell'osservatorio hanno attratto un insieme di potenti telescopi, per un totale di molti miliardi di dollari di investimenti.

L'oscurità del cielo notturno è un fattore importante nell'astronomia ottica. Con la continua espansione delle dimensioni delle città e delle aree popolate dall'uomo, è aumentata anche la quantità di luce artificiale di notte. Queste luci artificiali producono un'illuminazione di fondo diffusa che rende molto difficile l'osservazione di deboli caratteristiche astronomiche senza filtri speciali. In alcune località come lo stato dell'Arizona e nel Regno Unito , questo ha portato a campagne per la riduzione dell'inquinamento luminoso . L'uso di cappucci attorno ai lampioni non solo migliora la quantità di luce diretta verso il suolo, ma aiuta anche a ridurre la luce diretta verso il cielo.

Gli effetti atmosferici ( vedere astronomico ) possono ostacolare gravemente la risoluzione di un telescopio. Senza alcuni mezzi per correggere l'effetto sfocato dell'atmosfera in movimento, i telescopi più grandi di circa 15-20 cm di apertura non possono raggiungere la loro risoluzione teorica alle lunghezze d'onda visibili. Di conseguenza, il vantaggio principale dell'utilizzo di telescopi molto grandi è stata la migliore capacità di raccolta della luce, che consente di osservare magnitudini molto deboli. Tuttavia, l'handicap della risoluzione ha iniziato a essere superato dall'ottica adattiva , dall'imaging speckle e dall'interferometria , nonché dall'uso dei telescopi spaziali .

Risultati di misurazione

Gli astronomi hanno una serie di strumenti di osservazione che possono usare per effettuare misurazioni dei cieli. Per oggetti che sono relativamente vicini al Sole e alla Terra, è possibile effettuare misurazioni di posizione dirette e molto precise su uno sfondo più distante (e quindi quasi stazionario). Le prime osservazioni di questa natura sono state utilizzate per sviluppare modelli orbitali molto precisi dei vari pianeti e per determinare le loro rispettive masse e perturbazioni gravitazionali . Tali misurazioni portarono alla scoperta dei pianeti Urano , Nettuno e (indirettamente) Plutone . Hanno anche portato a un'errata supposizione di un pianeta immaginario Vulcano all'interno dell'orbita di Mercurio (ma la spiegazione della precessione dell'orbita di Mercurio da parte di Einstein è considerata uno dei trionfi della sua teoria della relatività generale ).

Sviluppi e diversità

ALMA è il telescopio più potente al mondo per studiare l'Universo a lunghezze d'onda submillimetriche e millimetriche.

Oltre all'esame dell'universo nello spettro ottico, gli astronomi sono stati sempre più in grado di acquisire informazioni in altre porzioni dello spettro elettromagnetico. Le prime misurazioni non ottiche di questo tipo furono fatte delle proprietà termiche del Sole . Gli strumenti impiegati durante un'eclissi solare potrebbero essere usati per misurare la radiazione dalla corona .

Radioastronomia

Con la scoperta delle onde radio , la radioastronomia iniziò ad emergere come una nuova disciplina dell'astronomia. Le lunghezze d'onda delle onde radio necessarie piatti di raccolta molto più grandi in modo da rendere le immagini con buona risoluzione, e successivamente ha portato allo sviluppo del multi-piatto interferometro per la fabbricazione ad alta risoluzione apertura sintesi immagini radiofonici (o "radio mappe"). Lo sviluppo del ricevitore a tromba a microonde ha portato alla scoperta della radiazione di fondo a microonde associata al Big Bang .

La radioastronomia ha continuato ad espandere le sue capacità, anche utilizzando i satelliti di radioastronomia per produrre interferometri con linee di base molto più grandi delle dimensioni della Terra. Tuttavia, l'uso in continua espansione dello spettro radio per altri usi sta gradualmente soffocando i deboli segnali radio delle stelle. Per questo motivo, in futuro la radioastronomia potrebbe essere eseguita da luoghi schermati, come il lato nascosto della Luna .

Sviluppi della fine del XX secolo

L'ultima parte del ventesimo secolo ha visto rapidi progressi tecnologici nella strumentazione astronomica. I telescopi ottici stavano diventando sempre più grandi e impiegavano ottiche adattive per negare in parte la sfocatura atmosferica. Nuovi telescopi furono lanciati nello spazio e iniziarono a osservare l'universo nelle parti infrarosse , ultraviolette , a raggi X e gamma dello spettro elettromagnetico, oltre a osservare i raggi cosmici . Gli array di interferometri hanno prodotto le prime immagini ad altissima risoluzione utilizzando la sintesi dell'apertura a lunghezze d'onda radio, infrarosse e ottiche. Strumenti orbitanti come il telescopio spaziale Hubble hanno prodotto rapidi progressi nella conoscenza astronomica, fungendo da cavallo di battaglia per le osservazioni in luce visibile di oggetti deboli. Si prevede che i nuovi strumenti spaziali in fase di sviluppo osservino direttamente i pianeti intorno ad altre stelle, forse anche alcuni mondi simili alla Terra.

Oltre ai telescopi, gli astronomi hanno iniziato a utilizzare altri strumenti per effettuare osservazioni.

Altri strumenti

L'astronomia dei neutrini è la branca dell'astronomia che osserva gli oggetti astronomici con rivelatori di neutrini in appositi osservatori, solitamente enormi serbatoi sotterranei. Le reazioni nucleari nelle stelle e le esplosioni di supernova producono un numero molto elevato di neutrini , pochissimi dei quali possono essere rilevati da un telescopio per neutrini . L'astronomia dei neutrini è motivata dalla possibilità di osservare processi inaccessibili ai telescopi ottici , come il nucleo del Sole .

Sono in fase di progettazione rilevatori di onde gravitazionali in grado di catturare eventi come collisioni di oggetti massicci come stelle di neutroni o buchi neri .

I veicoli spaziali robotici vengono anche sempre più utilizzati per effettuare osservazioni altamente dettagliate dei pianeti all'interno del Sistema Solare , così che il campo della scienza planetaria ha ora un significativo incrocio con le discipline della geologia e della meteorologia .

Strumenti di osservazione

Uno dei più antichi osservatori del Sud America è l' Osservatorio Astronomico di Quito , fondato nel 1873 e situato a 12 minuti a sud dell'Equatore a Quito, in Ecuador. L'Osservatorio Astronomico di Quito è l'Osservatorio Nazionale dell'Ecuador e si trova nel Centro Storico di Quito ed è gestito dalla Scuola Politecnica Nazionale .

Telescopi

Un setup per astrofotografia amatoriale con un sistema di guida automatizzato collegato a un laptop.

Lo strumento chiave di quasi tutta l'astronomia osservativa moderna è il telescopio . Questo serve al duplice scopo di raccogliere più luce in modo da poter osservare oggetti molto deboli e di ingrandire l'immagine in modo da poter osservare oggetti piccoli e distanti. L'astronomia ottica richiede telescopi che utilizzino componenti ottici di grande precisione. I requisiti tipici per la levigatura e la lucidatura di uno specchio curvo, ad esempio, richiedono che la superficie si trovi entro una frazione di una lunghezza d'onda della luce di una particolare forma conica . Molti "telescopi" moderni in realtà consistono in schiere di telescopi che lavorano insieme per fornire una risoluzione più elevata attraverso la sintesi dell'apertura .

I grandi telescopi sono alloggiati in cupole, sia per proteggerli dalle intemperie, sia per stabilizzare le condizioni ambientali. Ad esempio, se la temperatura è diversa da un lato all'altro del telescopio, la forma della struttura cambia, a causa dell'espansione termica che spinge gli elementi ottici fuori posizione. Questo può influenzare l'immagine. Per questo motivo le cupole sono solitamente di colore bianco brillante ( biossido di titanio ) o in metallo non verniciato. Le cupole vengono spesso aperte intorno al tramonto, molto prima che inizi l'osservazione, in modo che l'aria possa circolare e portare l'intero telescopio alla stessa temperatura dell'ambiente circostante. Per evitare che il vento o altre vibrazioni influiscano sulle osservazioni, è pratica normale montare il telescopio su un pilastro di cemento le cui fondamenta sono completamente separate da quelle della cupola e dell'edificio circostanti.

Per svolgere quasi tutti i lavori scientifici è necessario che i telescopi seguano gli oggetti mentre ruotano nel cielo visibile. In altre parole, devono compensare dolcemente la rotazione della Terra. Fino all'avvento dei meccanismi di azionamento controllati dal computer , la soluzione standard era una qualche forma di montatura equatoriale , e per i piccoli telescopi questa è ancora la norma. Tuttavia, questo è un progetto strutturalmente scadente e diventa sempre più ingombrante all'aumentare del diametro e del peso del telescopio. Il telescopio equatoriale più grande del mondo è il telescopio Hale da 200 pollici (5,1 m) , mentre i recenti telescopi da 8-10 m utilizzano la montatura altazimutale strutturalmente migliore e sono in realtà fisicamente più piccoli dell'Hale, nonostante gli specchi più grandi. A partire dal 2006, sono in corso progetti di progettazione per giganteschi telescopi alta-az: il Thirty Meter Telescope [1] e l' Overwhelmingly Large Telescope di 100 m di diametro .

Gli astronomi dilettanti usano strumenti come il riflettore newtoniano , il rifrattore e il sempre più popolare telescopio Maksutov .

Fotografia

La fotografia ha svolto un ruolo fondamentale nell'astronomia osservativa per oltre un secolo, ma negli ultimi 30 anni è stata ampiamente sostituita per applicazioni di imaging da sensori digitali come CCD e chip CMOS . Aree specializzate dell'astronomia come la fotometria e l'interferometria hanno utilizzato rivelatori elettronici per un periodo di tempo molto più lungo. L'astrofotografia utilizza pellicole fotografiche specializzate (o solitamente una lastra di vetro ricoperta di emulsione fotografica ), ma ci sono una serie di inconvenienti, in particolare una bassa efficienza quantica , dell'ordine del 3%, mentre i CCD possono essere sintonizzati per un QE >90% in una banda stretta. Quasi tutti i moderni strumenti dei telescopi sono array elettronici e i telescopi più vecchi sono stati adattati con questi strumenti o chiusi. Le lastre di vetro sono ancora utilizzate in alcune applicazioni, come il rilevamento, perché la risoluzione possibile con un film chimico è molto più alta di qualsiasi rilevatore elettronico finora costruito.

Vantaggi

Prima dell'invenzione della fotografia, tutta l'astronomia era fatta ad occhio nudo. Tuttavia, anche prima che i film diventassero abbastanza sensibili, l'astronomia scientifica passò interamente al cinema, a causa degli enormi vantaggi:

  • L'occhio umano scarta ciò che vede da una frazione di secondo all'altra, ma la pellicola fotografica raccoglie sempre più luce finché l'otturatore è aperto.
  • L'immagine risultante è permanente, quindi molti astronomi possono utilizzare gli stessi dati.
  • È possibile vedere gli oggetti mentre cambiano nel tempo ( SN 1987A è un esempio spettacolare).

Comparatore lampeggiante

Il comparatore di ammiccamenti è uno strumento che viene utilizzato per confrontare due fotografie quasi identiche fatte della stessa sezione di cielo in momenti diversi. Il comparatore alterna l'illuminazione delle due placche e le eventuali variazioni vengono rilevate da puntini lampeggianti o striature. Questo strumento è stato utilizzato per trovare asteroidi , comete e stelle variabili .

Telescopio rifrattore da 50 cm all'Osservatorio di Nizza .

Micrometro

Il micrometro di posizione o cross-wire è uno strumento che è stato utilizzato per misurare le stelle doppie . Consiste in una coppia di linee sottili e mobili che possono essere spostate insieme o separate. La lente del telescopio è allineata sulla coppia e orientata utilizzando fili di posizione che giacciono ad angolo retto rispetto alla separazione delle stelle. I fili mobili vengono quindi regolati in modo che corrispondano alle due posizioni delle stelle. La separazione delle stelle viene quindi letta dallo strumento e la loro vera separazione viene determinata in base all'ingrandimento dello strumento.

spettrografo

Uno strumento fondamentale dell'astronomia osservativa è lo spettrografo . L'assorbimento di specifiche lunghezze d'onda della luce da parte degli elementi consente di osservare proprietà specifiche di corpi distanti. Questa capacità ha portato alla scoperta dell'elemento elio nello spettro di emissione del Sole e ha permesso agli astronomi di determinare una grande quantità di informazioni riguardanti stelle, galassie e altri corpi celesti lontani. Lo spostamento Doppler (in particolare il " redshift ") degli spettri può essere utilizzato anche per determinare il movimento radiale o la distanza rispetto alla Terra .

I primi spettrografi impiegavano banchi di prismi che dividono la luce in un ampio spettro. Successivamente è stato sviluppato lo spettrografo a reticolo , che ha ridotto la quantità di perdita di luce rispetto ai prismi e ha fornito una risoluzione spettrale più elevata. Lo spettro può essere fotografato con una lunga esposizione, consentendo di misurare lo spettro di oggetti deboli (come le galassie lontane).

La fotometria stellare è entrata in uso nel 1861 come mezzo per misurare i colori stellari . Questa tecnica ha misurato la magnitudine di una stella a intervalli di frequenza specifici, consentendo una determinazione del colore complessivo, e quindi della temperatura di una stella. Nel 1951 un sistema standardizzato internazionale di UBV- grandezze ( U ltraviolet- B lue- V è approvato isual).

Fotometria fotoelettrica

La fotometria fotoelettrica che utilizza il CCD è ora frequentemente utilizzata per effettuare osservazioni attraverso un telescopio. Questi strumenti sensibili possono registrare l'immagine quasi fino al livello dei singoli fotoni e possono essere progettati per visualizzare parti dello spettro invisibili all'occhio. La capacità di registrare l'arrivo di un piccolo numero di fotoni in un periodo di tempo può consentire un certo grado di correzione del computer per gli effetti atmosferici, rendendo più nitida l'immagine. È inoltre possibile combinare più immagini digitali per migliorare ulteriormente l'immagine. Se combinata con la tecnologia dell'ottica adattiva , la qualità dell'immagine può avvicinarsi alla capacità di risoluzione teorica del telescopio.

I filtri vengono utilizzati per visualizzare un oggetto a determinate frequenze o intervalli di frequenza. I filtri a film multistrato possono fornire un controllo molto preciso delle frequenze trasmesse e bloccate, in modo che, ad esempio, gli oggetti possano essere visualizzati a una particolare frequenza emessa solo da atomi di idrogeno eccitati . I filtri possono essere utilizzati anche per compensare parzialmente gli effetti dell'inquinamento luminoso bloccando la luce indesiderata. I filtri di polarizzazione possono essere utilizzati anche per determinare se una sorgente emette luce polarizzata e l'orientamento della polarizzazione.

osservando

La piattaforma principale di La Silla ospita una vasta gamma di telescopi con cui gli astronomi possono esplorare l'Universo.

Gli astronomi osservano un'ampia gamma di sorgenti astronomiche, tra cui galassie ad alto redshift, AGN , il bagliore residuo del Big Bang e molti diversi tipi di stelle e protostelle.

È possibile osservare una varietà di dati per ogni oggetto. Le coordinate di posizione localizzano l'oggetto nel cielo utilizzando le tecniche dell'astronomia sferica e la magnitudine determina la sua luminosità vista dalla Terra . La luminosità relativa in diverse parti dello spettro fornisce informazioni sulla temperatura e sulla fisica dell'oggetto. Le fotografie degli spettri consentono di esaminare la chimica dell'oggetto.

Gli spostamenti di parallasse di una stella rispetto allo sfondo possono essere utilizzati per determinare la distanza, fino a un limite imposto dalla risoluzione dello strumento. La velocità radiale della stella e le variazioni della sua posizione nel tempo ( moto proprio ) possono essere utilizzate per misurare la sua velocità rispetto al Sole. Le variazioni nella luminosità della stella danno evidenza di instabilità nell'atmosfera della stella, oppure la presenza di un compagno occultante. Le orbite delle stelle binarie possono essere utilizzate per misurare le masse relative di ciascuna compagna, o la massa totale del sistema. Le binarie spettroscopiche possono essere trovate osservando gli spostamenti doppler nello spettro della stella e della sua compagna stretta.

Stelle di massa identica che si sono formate nello stesso momento e in condizioni simili hanno tipicamente proprietà osservate quasi identiche. L'osservazione di una massa di stelle strettamente associate, come in un ammasso globulare , consente di raccogliere dati sulla distribuzione dei tipi stellari. Queste tabelle possono quindi essere utilizzate per dedurre l'età dell'associazione.

Per le galassie lontane e gli AGN vengono effettuate osservazioni della forma e delle proprietà complessive della galassia, nonché dei raggruppamenti in cui si trovano. L'osservazione di certi tipi di stelle variabili e supernove di luminosità nota , dette candele standard , in altre galassie permette di dedurre la distanza dalla galassia ospite. L'espansione dello spazio fa sì che gli spettri di queste galassie vengano spostati, a seconda della distanza, e modificati dall'effetto Doppler della velocità radiale della galassia. Sia la dimensione della galassia che il suo redshift possono essere usati per dedurre qualcosa sulla distanza della galassia. Le osservazioni di un gran numero di galassie sono indicate come rilevazioni del redshift e sono utilizzate per modellare l'evoluzione delle forme delle galassie.

Guarda anche

Elenchi correlati

Riferimenti

link esterno