Telescopio riflettente - Reflecting telescope

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera
Telescopio riflettente Newton / Cassegrain convertibile da 24 pollici in mostra al Franklin Institute

Un telescopio riflettente (chiamato anche riflettore ) è un telescopio che utilizza uno o una combinazione di specchi curvi che riflettono la luce e formano un'immagine . Il telescopio riflettente fu inventato nel XVII secolo da Isaac Newton come alternativa al telescopio rifrattore che, a quel tempo, era un progetto che soffriva di gravi aberrazioni cromatiche . Sebbene i telescopi riflettenti producano altri tipi di aberrazioni ottiche , è un progetto che consente obiettivi di diametro molto grande . Quasi tutti i principali telescopi utilizzati nella ricerca astronomica sono riflettori. I telescopi riflettenti sono disponibili in molte varianti di design e possono impiegare elementi ottici aggiuntivi per migliorare la qualità dell'immagine o posizionare l'immagine in una posizione meccanicamente vantaggiosa. Poiché i telescopi riflettenti utilizzano specchi , il design viene talvolta definito un telescopio " catottrico ".

Dai tempi di Newton al 1800, lo specchio stesso era fatto di metallo, di solito metallo speculare . Questo tipo includeva i primi progetti di Newton e persino i più grandi telescopi del 19 ° secolo, il Leviatano di Parsonstown con uno specchio di metallo largo 1,8 metri. Nel XIX secolo un nuovo metodo che utilizzava un blocco di vetro rivestito con uno strato molto sottile di argento iniziò a diventare più popolare all'inizio del secolo. Un importante punto di svolta nei telescopi riflettenti fu l'Osservatorio di Parigi di 1,2 m del 1878, telescopi AA Common che portarono ai telescopi riflettenti Crossley e Harvard, che contribuirono a stabilire una migliore reputazione per i telescopi riflettenti poiché i design degli specchi metallici erano noti per i loro svantaggi. Principalmente gli specchi di metallo riflettevano solo circa 2/3 della luce e il metallo si appannava. Dopo molteplici lucidature e ossidazioni lo specchio potrebbe perdere la precisa figurazione necessaria.

I telescopi riflettenti sono diventati straordinariamente popolari per l'astronomia e molti famosi telescopi come il telescopio spaziale Hubble e popolari modelli amatoriali utilizzano questo design. Inoltre, il principio del telescopio a riflessione è stato applicato ad altre lunghezze d'onda della luce e, ad esempio, anche i telescopi a raggi X utilizzano il principio di riflessione per realizzare ottiche di formazione dell'immagine.

Storia

Una replica del secondo telescopio riflettente di Newton che presentò alla Royal Society nel 1672
Il grande telescopio di Birr, il Leviatano di Parsonstown. Resti moderni dello specchio e della struttura di supporto.

L'idea che gli specchi curvi si comportino come lenti risale almeno al trattato di ottica di Alhazen dell'XI secolo, opere che erano state ampiamente diffuse nelle traduzioni latine nella prima età moderna dell'Europa . Subito dopo l'invenzione del telescopio rifrattore , Galileo , Giovanni Francesco Sagredo e altri, spinti dalla loro conoscenza dei principi degli specchi curvi, discussero l'idea di costruire un telescopio utilizzando uno specchio come obiettivo di formazione dell'immagine. Si diceva che il bolognese Cesare Caravaggi ne avesse costruito uno intorno al 1626 e il professore italiano Niccolò Zucchi , in un'opera successiva, scrisse di aver sperimentato uno specchio concavo in bronzo nel 1616, ma disse che non produceva un'immagine soddisfacente. I potenziali vantaggi dell'utilizzo di specchi parabolici , principalmente la riduzione dell'aberrazione sferica senza aberrazione cromatica , hanno portato a molti progetti proposti per telescopi riflettenti. Il più notevole è James Gregory , che pubblicò un progetto innovativo per un telescopio "riflettente" nel 1663. Sarebbero passati dieci anni (1673) prima che lo scienziato sperimentale Robert Hooke fosse in grado di costruire questo tipo di telescopio, che divenne noto come il Telescopio gregoriano .

Isaac Newton è stato generalmente accreditato per aver costruito il primo telescopio riflettente nel 1668. Utilizzava uno specchio primario metallico a terra sferica e un piccolo specchio diagonale in una configurazione ottica che è diventata nota come il telescopio newtoniano .

Nonostante i vantaggi teorici del design del riflettore, la difficoltà di costruzione e le scarse prestazioni degli specchi speculum metallici utilizzati all'epoca significava che ci vollero più di 100 anni prima che diventassero popolari. Molti dei progressi nei telescopi riflettenti includevano la perfezione della fabbricazione di specchi parabolici nel XVIII secolo, specchi in vetro rivestito d'argento nel XIX secolo, rivestimenti in alluminio di lunga durata nel XX secolo, specchi segmentati per consentire diametri maggiori e ottiche attive per compensare per la deformazione gravitazionale. Un'innovazione della metà del XX secolo sono stati i telescopi catadiottrici come la fotocamera Schmidt , che utilizzano sia uno specchio sferico che una lente (chiamata piastra correttrice) come elementi ottici primari, utilizzati principalmente per l'imaging a campo ampio senza aberrazione sferica.

La fine del XX secolo ha visto lo sviluppo di ottiche adattive e immagini fortunate per superare i problemi del vedere , ei telescopi riflettenti sono onnipresenti sui telescopi spaziali e su molti tipi di dispositivi di imaging di veicoli spaziali .

Considerazioni tecniche

Uno specchio primario curvo è l'elemento ottico di base del telescopio riflettore che crea un'immagine sul piano focale. La distanza dallo specchio al piano focale è chiamata lunghezza focale . Una pellicola o un sensore digitale possono essere posizionati qui per registrare l'immagine, oppure uno specchio secondario può essere aggiunto per modificare le caratteristiche ottiche e / o reindirizzare la luce su pellicola, sensori digitali o un oculare per l'osservazione visiva.

Lo specchio primario nella maggior parte dei telescopi moderni è composto da un solido cilindro di vetro la cui superficie frontale è stata rettificata per ottenere una forma sferica o parabolica . Un sottile strato di alluminio viene depositato sotto vuoto sullo specchio, formando una prima superficie dello specchio altamente riflettente .

Alcuni telescopi utilizzano specchi primari realizzati in modo diverso. Il vetro fuso viene ruotato per rendere la sua superficie paraboloidale, e viene mantenuto in rotazione mentre si raffredda e si solidifica. (Vedere Forno rotante .) La forma dello specchio risultante si avvicina a una forma paraboloide desiderata che richiede una molatura e una lucidatura minime per raggiungere la cifra esatta necessaria.

Errori ottici

I telescopi riflettenti, proprio come qualsiasi altro sistema ottico, non producono immagini "perfette". La necessità di visualizzare oggetti a distanze fino all'infinito, visualizzarli a diverse lunghezze d'onda della luce, insieme alla necessità di avere un modo per visualizzare l'immagine prodotta dallo specchio primario, significa che c'è sempre qualche compromesso nel design ottico di un telescopio riflettente.

Poiché lo specchio primario focalizza la luce su un punto comune davanti alla propria superficie riflettente, quasi tutti i modelli di telescopi riflettenti hanno uno specchio secondario , un supporto per pellicola o un rilevatore vicino a quel punto focale che impedisce parzialmente alla luce di raggiungere lo specchio primario. Ciò non solo causa una riduzione della quantità di luce che il sistema raccoglie, ma provoca anche una perdita di contrasto nell'immagine a causa degli effetti di diffrazione dell'ostruzione e dei picchi di diffrazione causati dalla maggior parte delle strutture di supporto secondarie.

L'uso di specchi evita l'aberrazione cromatica ma producono altri tipi di aberrazioni . Un semplice specchio sferico non può portare la luce da un oggetto distante a un fuoco comune poiché il riflesso dei raggi luminosi che colpiscono lo specchio vicino al suo bordo non convergono con quelli che riflettono da più vicino al centro dello specchio, un difetto chiamato aberrazione sferica . Per evitare questo problema la maggior parte dei telescopi riflettenti utilizza specchi a forma parabolica , una forma che può focalizzare tutta la luce su un fuoco comune. Gli specchi parabolici funzionano bene con oggetti vicini al centro dell'immagine che producono, (luce che viaggia parallela all'asse ottico dello specchio ), ma verso il bordo dello stesso campo visivo soffrono di aberrazioni fuori asse:

  • Coma - un'aberrazione in cui le sorgenti puntiformi (stelle) al centro dell'immagine sono focalizzate su un punto ma tipicamente appaiono come macchie radiali "simili a comete" che peggiorano verso i bordi dell'immagine.
  • Curvatura di campo - Il miglior piano dell'immagine è in generale curvo, che potrebbe non corrispondere alla forma del rilevatore e portare a un errore di messa a fuoco attraverso il campo. A volte viene corretto da una lente di appiattimento del campo.
  • Astigmatismo : una variazione azimutale della messa a fuoco attorno all'apertura che fa apparire ellittiche le immagini della sorgente puntiforme fuori asse. L'astigmatismo di solito non è un problema in un campo visivo ristretto , ma in un'immagine ad ampio campo peggiora rapidamente e varia quadraticamente con l'angolo di campo.
  • Distorsione : la distorsione non influisce sulla qualità dell'immagine (nitidezza) ma sulle forme degli oggetti. A volte viene corretto dall'elaborazione delle immagini.

Esistono modelli di telescopi riflettenti che utilizzano superfici speculari modificate (come il telescopio Ritchey – Chrétien ) o qualche forma di lente di correzione (come i telescopi catadiottrici ) che correggono alcune di queste aberrazioni.

Utilizzare nella ricerca astronomica

Specchio principale assemblato al Goddard Space Flight Center , maggio 2016.

Quasi tutti i grandi telescopi astronomici per la ricerca sono riflettori. Ci sono diverse ragioni per questo:

  • I riflettori funzionano in uno spettro di luce più ampio poiché determinate lunghezze d'onda vengono assorbite quando attraversano elementi di vetro come quelli che si trovano in un rifrattore o in un telescopio catadiottrico .
  • In una lente l'intero volume del materiale deve essere privo di imperfezioni e disomogeneità, mentre in uno specchio solo una superficie deve essere perfettamente levigata.
  • La luce di diverse lunghezze d'onda viaggia attraverso un mezzo diverso dal vuoto a velocità diverse. Ciò causa l'aberrazione cromatica . Ridurre questo valore a livelli accettabili di solito comporta una combinazione di due o tre lenti di dimensioni di apertura (vedere acromatico e apocromatico per maggiori dettagli). Il costo di tali sistemi quindi scala in modo significativo con la dimensione dell'apertura. Un'immagine ottenuta da uno specchio non soffre di aberrazione cromatica per cominciare, e il costo dello specchio scala molto più modestamente con le sue dimensioni.
  • Ci sono problemi strutturali coinvolti nella produzione e manipolazione di obiettivi ad ampia apertura. Poiché una lente può essere tenuta in posizione solo dal bordo, il centro di una lente grande si incurverà a causa della gravità , distorcendo l'immagine che produce. La dimensione più grande della lente pratica in un telescopio rifrattore è di circa 1 metro. Al contrario, uno specchio può essere supportato dall'intero lato opposto alla sua faccia riflettente, consentendo progetti di telescopi riflettenti in grado di superare l'abbassamento gravitazionale. I modelli di riflettore più grandi attualmente superano i 10 metri di diametro.

Riflettendo i disegni del telescopio

gregoriano

Percorso della luce in un telescopio gregoriano.

Il telescopio gregoriano , descritto dall'astronomo e matematico scozzese James Gregory nel suo libro del 1663 Optica Promota , utilizza uno specchio secondario concavo che riflette l'immagine attraverso un foro nello specchio primario. Questo produce un'immagine verticale, utile per le osservazioni terrestri. Alcuni piccoli cannocchiali da osservazione sono ancora costruiti in questo modo. Esistono diversi grandi telescopi moderni che utilizzano una configurazione gregoriana come il Vatican Advanced Technology Telescope , i telescopi Magellan , il Large Binocular Telescope e il Giant Magellan Telescope .

Newton

Percorso della luce in un telescopio newtoniano.

Il telescopio newtoniano è stato il primo telescopio riflettente di successo, completato da Isaac Newton nel 1668. Di solito ha uno specchio primario paraboloide ma a rapporti focali di f / 8 o più uno specchio primario sferico può essere sufficiente per un'alta risoluzione visiva. Uno specchio secondario piatto riflette la luce su un piano focale sul lato della parte superiore del tubo del telescopio. È uno dei progetti più semplici e meno costosi per una data dimensione di primaria ed è popolare tra i produttori di telescopi amatoriali come progetto di costruzione domestica.

Il design Cassegrain e le sue varianti

Percorso della luce in un telescopio Cassegrain.

Il telescopio Cassegrain (a volte chiamato "Classic Cassegrain") fu pubblicato per la prima volta in un progetto del 1672 attribuito a Laurent Cassegrain . Ha uno specchio primario parabolico e uno specchio secondario iperbolico che riflette la luce attraverso un foro nel primario. L'effetto di piegatura e divergenza dello specchio secondario crea un telescopio con una lunghezza focale lunga pur avendo una lunghezza del tubo corta.

Ritchey – Chrétien

Il telescopio Ritchey – Chrétien , inventato da George Willis Ritchey e Henri Chrétien all'inizio degli anni '10, è un riflettore Cassegrain specializzato che ha due specchi iperbolici (invece di un primario parabolico). È privo di coma e aberrazione sferica su un piano focale quasi piatto se la curvatura primaria e secondaria sono adeguatamente figurate , rendendolo adatto per osservazioni fotografiche e a campo ampio. Quasi tutti i telescopi riflettori professionali al mondo hanno il design Ritchey – Chrétien.

Anastigmat a tre specchi

L'inclusione di un terzo specchio curvo consente la correzione della distorsione rimanente, l'astigmatismo, dal design Ritchey – Chrétien. Ciò consente campi visivi molto più ampi.

Dall – Kirkham

Il design del telescopio Dall – Kirkham Cassegrain fu creato da Horace Dall nel 1928 e prese il nome in un articolo pubblicato su Scientific American nel 1930 a seguito di una discussione tra l'astronomo dilettante Allan Kirkham e Albert G. Ingalls, all'epoca direttore della rivista. Utilizza uno specchio primario ellittico concavo e un secondario sferico convesso . Sebbene questo sistema sia più facile da macinare rispetto a un classico sistema Cassegrain o Ritchey – Chrétien, non corregge il coma fuori asse. La curvatura di campo è in realtà inferiore a un classico Cassegrain. Poiché questo è meno evidente a rapporti focali più lunghi , Dall – Kirkhams è raramente più veloce di f / 15.

Design fuori asse

Esistono diversi progetti che cercano di evitare di ostruire la luce in entrata eliminando il secondario o spostando qualsiasi elemento secondario dall'asse ottico dello specchio primario , comunemente chiamati sistemi ottici fuori asse .

Herschelian

Percorsi di luce
Telescopio Herscheliano
Telescopio Schiefspiegler

Il riflettore Herscheliano prende il nome da William Herschel , che ha utilizzato questo progetto per costruire telescopi molto grandi tra cui il telescopio da 40 piedi nel 1789. Nel riflettore Herscheliano lo specchio primario è inclinato in modo che la testa dell'osservatore non blocchi la luce in arrivo. Sebbene ciò introduca aberrazioni geometriche, Herschel impiegò questo design per evitare l'uso di uno specchio secondario newtoniano poiché gli specchi metallici dello speculum di quel tempo si offuscavano rapidamente e potevano raggiungere solo il 60% di riflettività.

Schiefspiegler

Una variante del Cassegrain, il telescopio Schiefspiegler ("obliquo" o "riflettore obliquo") utilizza specchi inclinati per evitare che lo specchio secondario proietti un'ombra sul primario. Tuttavia, mentre si eliminano i modelli di diffrazione, ciò porta ad un aumento del coma e dell'astigmatismo. Questi difetti diventano gestibili con rapporti focali ampi: la maggior parte degli Schiefspiegler usa f / 15 o più, il che tende a limitare l'osservazione utile alla Luna e ai pianeti. Sono comuni numerose variazioni, con un numero variabile di specchi di diverso tipo. Lo stile Kutter (dal nome del suo inventore Anton Kutter ) utilizza un unico primario concavo, un secondario convesso e una lente piano-convessa tra lo specchio secondario e il piano focale, quando necessario (questo è il caso del catadiottrico Schiefspiegler ). Una variante di un multi-schiefspiegler utilizza un primario concavo, un secondario convesso e un terziario parabolico. Uno degli aspetti interessanti di alcuni Schiefspiegler è che uno degli specchi può essere coinvolto due volte nel percorso della luce: ogni percorso della luce si riflette lungo un percorso meridionale diverso.

Stevick-Paul

I telescopi Stevick-Paul sono versioni fuori asse dei sistemi a 3 specchi Paul con uno specchio diagonale piatto aggiunto. Uno specchio secondario convesso è posto appena a lato della luce che entra nel telescopio, e posizionato afocalmente in modo da inviare luce parallela al terziario. Lo specchio terziario concavo è posizionato esattamente due volte più lontano dal lato della trave entrante rispetto al secondario convesso, e il proprio raggio di curvatura distante dal secondario. Poiché lo specchio terziario riceve la luce parallela dal secondario, forma un'immagine al suo fuoco. Il piano focale si trova all'interno del sistema di specchi, ma è accessibile all'occhio con l'inclusione di una diagonale piatta. La configurazione di Stevick-Paul risulta in tutte le aberrazioni ottiche pari a zero al terzo ordine, ad eccezione della superficie Petzval che è leggermente curva.

Yolo

Lo Yolo è stato sviluppato da Arthur S. Leonard a metà degli anni '60. Come lo Schiefspiegler, è un telescopio riflettore inclinato e senza ostacoli. Lo Yolo originale è costituito da uno specchio concavo primario e secondario, con la stessa curvatura e la stessa inclinazione rispetto all'asse principale. La maggior parte degli Yolos utilizza riflettori toroidali . Il design Yolo elimina il coma, ma lascia un astigmatismo significativo, che viene ridotto dalla deformazione dello specchio secondario da una qualche forma di imbracatura di deformazione, o in alternativa, lucidando una figura toroidale nel secondario. Come gli Schiefspiegler, sono state perseguite molte varianti di Yolo. La quantità necessaria di forma toroidale può essere trasferita interamente o parzialmente allo specchio primario. In gruppi ottici con rapporti focali ampi, sia lo specchio primario che quello secondario possono essere lasciati sferici e una lente per la correzione degli occhiali viene aggiunta tra lo specchio secondario e il piano focale ( Yolo catadiottrico ). L'aggiunta di uno specchio terziario convesso a fuoco lungo porta alla configurazione Solano di Leonard . Il telescopio Solano non contiene superfici toriche.

Telescopi a specchio liquido

Un modello di telescopio utilizza uno specchio rotante costituito da un metallo liquido in un vassoio che viene fatto girare a velocità costante. Mentre il vassoio gira, il liquido forma una superficie paraboloidale di dimensioni essenzialmente illimitate. Questo permette di realizzare specchi per telescopi molto grandi (oltre i 6 metri), ma purtroppo non possono essere manovrati, poiché puntano sempre verticalmente.

Piani focali

Primo fuoco

Un telescopio con messa a fuoco privilegiata. L'osservatore / telecamera si trova nel punto focale (mostrato come una X rossa).

In un progetto con messa a fuoco primaria non vengono utilizzate ottiche secondarie, si accede all'immagine nel punto focale dello specchio primario . Nel punto focale c'è un tipo di struttura per contenere una lastra di pellicola o un rilevatore elettronico. In passato, in telescopi molto grandi, un osservatore si sedeva all'interno del telescopio in una "gabbia di osservazione" per visualizzare direttamente l'immagine o azionare una telecamera. Oggigiorno le telecamere CCD consentono il funzionamento remoto del telescopio da quasi ovunque nel mondo. Lo spazio disponibile al primo fuoco è fortemente limitato dalla necessità di evitare di ostruire la luce in entrata.

I radiotelescopi hanno spesso un design a fuoco primario. Lo specchio è sostituito da una superficie metallica per riflettere le onde radio e l'osservatore è un'antenna .

Messa a fuoco di Cassegrain

Design Cassegrain

Per i telescopi costruiti secondo il progetto Cassegrain o altri progetti correlati, l'immagine viene formata dietro lo specchio primario, nel punto focale dello specchio secondario . Un osservatore guarda attraverso la parte posteriore del telescopio o una telecamera o un altro strumento è montato sul retro. Il fuoco Cassegrain è comunemente usato per telescopi amatoriali o telescopi di ricerca più piccoli. Tuttavia, per i grandi telescopi con strumenti corrispondentemente grandi, uno strumento al fuoco di Cassegrain deve muoversi con il telescopio mentre ruota; questo pone requisiti aggiuntivi sulla resistenza della struttura di supporto dello strumento e potenzialmente limita il movimento del telescopio al fine di evitare la collisione con ostacoli come muri o apparecchiature all'interno dell'osservatorio.

Nasmyth e coudé si concentrano

Percorso di luce Nasmyth / coudé.

Nasmyth

Il design del Nasmyth è simile al Cassegrain tranne per il fatto che la luce non è diretta attraverso un foro nello specchio principale; invece, un terzo specchio riflette la luce sul lato del telescopio per consentire il montaggio di strumenti pesanti. Questo è un progetto molto comune nei grandi telescopi di ricerca.

Coudé

L'aggiunta di ulteriori ottiche a un telescopio in stile Nasmyth per fornire la luce (di solito attraverso l' asse di declinazione ) a un punto di messa a fuoco fisso che non si muove quando il telescopio viene riorientato fornisce una messa a fuoco coudé (dalla parola francese per gomito). La messa a fuoco coudé offre un campo visivo più stretto rispetto a una messa a fuoco Nasmyth e viene utilizzata con strumenti molto pesanti che non necessitano di un ampio campo visivo. Una di queste applicazioni sono spettrografi ad alta risoluzione che hanno grandi specchi collimatori (idealmente con lo stesso diametro dello specchio primario del telescopio) e lunghezze focali molto lunghe. Tali strumenti non potevano sopportare di essere spostati e l'aggiunta di specchi al percorso della luce per formare un treno di coudé , deviando la luce in una posizione fissa verso un tale strumento alloggiato sopra o sotto il piano di osservazione (e solitamente costruito come parte integrante immobile del edificio dell'osservatorio) era l'unica opzione. Il telescopio 60 pollici Hale (1,5 m), Hooker telescopio , 200 pollici telescopio Hale , Shane telescopio , e Harlan J. Smith Telescope tutti sono stati costruiti con strumentazione Coudé foci. Lo sviluppo degli spettrometri echelle ha consentito la spettroscopia ad alta risoluzione con uno strumento molto più compatto, che a volte può essere montato con successo sul fuoco Cassegrain. Dal momento che negli anni '80 sono state sviluppate montature per telescopi altaz-az controllate da computer poco costose e adeguatamente stabili, il progetto di Nasmyth ha generalmente soppiantato il focus coudé per i grandi telescopi.

Spettrografi alimentati a fibra

Per strumenti che richiedono una stabilità molto elevata, o che sono molto grandi e ingombranti, è preferibile montare lo strumento su una struttura rigida, piuttosto che spostarlo con il telescopio. Mentre la trasmissione dell'intero campo visivo richiederebbe una messa a fuoco coudé standard, la spettroscopia tipicamente coinvolge la misurazione solo di pochi oggetti discreti, come stelle o galassie. È quindi possibile raccogliere la luce da questi oggetti con fibre ottiche al telescopio, posizionando lo strumento a una distanza arbitraria dal telescopio. Esempi di spettrografi alimentati da fibra includono gli spettrografi a caccia di pianeti HARPS o ESPRESSO .

Inoltre, la flessibilità delle fibre ottiche consente di raccogliere la luce da qualsiasi piano focale; per esempio, lo spettrografo HARPS utilizza il fuoco Cassegrain del telescopio da 3,6 m dell'ESO , mentre lo spettrografo Prime Focus è collegato al fuoco principale del telescopio Subaru .

Guarda anche

Riferimenti

link esterno