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Rosa Cáceres Vera
1 Tema 2a: generalidades sobre telescopios Consultar: Observational astronomy, BGO06, Astronomical optics, S99. Astrophysical techniques, K08. 1
2 TELESCOPIOS ÓPTICOS Primera parte (tema 2a) Descripción esquemática de un telescopio. Escala de placa. Relación focal. Resolución. Aberraciones. Magnitud límite visual. Telescopios refractores. Telescopios reflectores. Cassegrain. Cámara Schmidt. Monturas y estructuras. Focos. Espejos Segunda parte (tema 2b) Protección de Telescopios Telescopios de gran objetivo. Espejos delgados. Óptica activa. Segmentación. Telescopios múltiples. Óptica adaptativa. Telescopios enormes. 2
3 ESQUEMA DE UN TELESCOPIO (1) Telescopio para uso visual objetivo plano focal ocular El objetivo forma la imagen en el plano focal. Allí se observa con detalle con ayuda de un ocular 3
4 ESQUEMA DE UN TELESCOPIO (2) Telescopio para uso visual Círculo ocular Plano focal ocular El círculo ocular es la imagen del objetivo dada por el ocular. Todos los rayos que transmite el instrumento pasan necesariamente por el objetivo y atraviesan el círculo ocular que es su imagen conjugada. El objetivo es la Pupila de Entrada y el círculo ocular la Pupila de Salida en este sistema sencillo. 4
5 ESCALA DE PLACA objetivo plano focal s = f. θ f Δθ/Δs = 1 / f [rad/mm] P ( /mm) = /f(mm) rad/mm=1/px180x3600 arcsec/mm La escala de placa indica el tamaño lineal que tendrán las imágenes que se forman en el plano focal o la distancia lineal entre ellas. Se relaciona directamente con la distancia focal f. Ejemplo: Telescopio de f=15 m P= / = 13,8 /mm Las imágenes de dos objetos separados 2 en el cielo Δx = 120 / 13,8 /mm = 8,7 mm Campo en un detector de 2 x 2 cm 20 mm 13,8 /mm = 276 = 4 36 (4 36 x 4 36 ) 5
6 RELACIÓN FOCAL La relación focal es la razón entre la distancia focal del objetivo y su diámetro. F=f/D D D f= 4 D F=4 ó f/4 La cantidad de energía recogida es proporcional el área del objetivo. La energía se distribuye por todo el área de la imagen. f 1 f 2 La densidad de flujo (energía/unidad área) en el plano de la imagen: Iluminación = (D/f) 2 Por eso a F se le llama abertura relativa. El telescopio de la izquierda tiene un número F menor F 1 < F 2 y es por eso más luminoso. Como f2 > f1 la escala de placa es mayor en el de la izquierda y el campo registrado en un detector de igual tamaño será mayor. 6
7 RESOLUCIÓN (1) En la imagen de una estrella (objeto puntual) se puede apreciar un círculo luminoso (disco de Airy) rodeado de anillos (difracción de Fraunhofer). J 1 a=d/2 I 0 k=2π/λ función de Bessel de primera clase primer orden radio de la abertura Intensidad máxima central del patrón de difracción número de onda Las posiciones de los mínimos de intensidad θ n = m n λ /D donde los factores numéricos m m=1.22 para n=1 m=2.23 n=2 m=3.24 n=3 7
8 RESOLUCIÓN (2) Tamaño del disco de Airy (hasta el primer mínimo; contiene 84% de la luz) Roy & Clarke fig
9 RESOLUCIÓN (3) El poder de resolución de un telescopio mide su capacidad de resolver detalles en imágenes. Si dos estrellas tienen el mismo brillo, la resolución del sistema puede ser determinado por la separación angular más pequeña entre esas fuentes que aun permita al sistema resolverlas. Resolución (Rayleigh) Criterio de Rayleigh: dos fuentes puntuales son precisamente resueltas si el máximo del patrón de difracción de un punto cae en el primer anillo oscuro del patrón de difracción del segundo punto. 9
10 ABERRACIONES(1) Las aberraciones de los telescopios deterioran la calidad de las imágenes. Aberración esférica. Imágenes de M100 antes y después de solucionar el problema de la aberración esférica del HST 10
11 Aberración de Coma. ABERRACIONES (2) Otras aberraciones: Astigmatismo. Curvatura de campo. Distorsión. Aberración cromática. Véase Telescopios y estrellas by Malacara & Malacara Observational Techniques by Jon Holtzman 11
12 MAGNITUD LÍMITE VISUAL Conversión de irradiancias a magnitudes (Pogson) Ganancia en magnitudes ejemplo Magnitud límite visual Límite a simple vista 12
13 TELESCOPIOS REFRACTORES (1) El objetivo está formado por lentes. Telescopio de Yerkes de 40 (~1 m) PRO: montado en un tubo, bajo mantenimiento. CONTRA: Aberración cromática (tripletes acromáticos). Problemas técnicos para construir y mantener objetivos de gran tamaño. 13
14 TELESCOPIOS REFRACTORES (2) Telescopio de Galileo (Lippershey 1608) Telescopio de Kepler Véase Ciencia para todos: Astronomía 14
15 TELESCOPIOS REFRACTORES (3) Astrógrafo doble (OAN, Yebes) D=40 cm f=200 cm Adecuado para la observación de objetos astronómicos con movimiento propio (asteroides y cometas). Lick Observatory Carnegie Double Astrograph 20-inch refractors Field of View 6 x 6 degree 17 x 17 inch photographic plate 15
16 TELESCOPIOS REFLECTORES El objetivo es un espejo cóncavo. Telescopio espacial Hubble PRO: No tiene aberración cromática. El objetivo está sujeto por detrás y puede construirse más grande. CONTRA: Problemas de mantenimiento: colimado, limpieza, aluminizado. Inauguración en 1948 del Telescopio Hale (200 ) de Mt. Palomar 16
17 TELESCOPIO CASSEGRAIN (1) Cassegrain (1672) Primario parabólico Secundario hiperbólico Si el primario fuera esférico, el telescopio sufriría de aberración esférica 17
18 TELESCOPIO CASSEGRAIN (2) primario secundario Diámetro Radio de Curvatura Focal 18
19 TELESCOPIO CASSEGRAIN (4) ESO Telescopio 1.5 m 20
20 TELESCOPIO CASSEGRAIN (5) El sistema Cassegrain clásico todavía presenta aberración esférica. Tipo telescopio Espejo primario Espejo secundario Cuasi-Cassegrain esférico sobrecorregido Dall-Kirham elíptico esférico Ritchey-Chrétien hiperbólico (elimina coma) hiperbólico más que el clásico- (elimina aberración esférica) Gregory parabólico elíptico (cóncavo) Schmidt-Cassegrain. Maksutov (simplificado) Son sistemas catadióptricos con una lámina correctora. (véase Cámara Schmidt) 21
21 CÁMARA SCHMIDT (1) Bernard Schmidt (1931) Ein lichtstarkes komafreies Spiegelsystem Idea 1: Espejo esférico + diafragma en el centro de curvatura Imágenes buenas en todo el campo (no hay coma). El alineamiento del centro de curvatura, foco y superficie del espejo es idéntica para cualquier ángulo Misma aberración esférica en todo el campo. 22
22 CÁMARA SCHMIDT (2) Espejo esférico + diafragma en el centro de curvatura: Libre de aberración cromática, coma, astigmatismo y distorsión. Tiene aberración esférica y curvatura de campo. Idea 2: Lámina correctora (en el centro de curvatura del espejo) para evitar aberración esférica. ( sin tener que parabolizar el primario!) La lámina correctora aumenta la focal para haces lejanos al eje óptico (como una lente divergente y la reduce para rayos próximos (lente convergente). 23
23 CÁMARA SCHMIDT (3) El foco se encuentra en el interior del telescopio, en el foco primario. El plano focal es curvo. 24
24 CÁMARA SCHMIDT (4) Ventajas: Muy luminosa (F pequeño) Gran campo Ideal para exploraciones Inconvenientes: Superficie focal curva Doble longitud del tubo Obstrucción parcial de los rayos Placa correctora introduce aberración cromática y algo de coma Schmidt Calar Alto Placa (cm) Espejo (cm) f (m) f/d Campo Placa (cm 2 ) Palomar o x 7 o 46 x 46 Calar Alto x x 24 ESO x 5 30 x 30 25
25 ESTRUCTURAS (1) Sostiene y mantiene colimados los elementos ópticos. Permiten el acoplamiento de los sistemas de análisis y detección. No deben existir vibraciones, ni permitir que llegue luz difusa. Se deben compensar las dilataciones térmicas. TUBULAR preferida de refractores y Cámara Schmidt. Excesivo peso, pero impide por completo la luz difusa. 26
26 ESTRUCTURAS (2) SERRURIER para reflectores de gran tamaño. Celdas (primario y secundario) de anillas y barras cruzadas. Centro de gravedad cerca del primario; ahí se acopla a la montura. Diafragmas troncocónicos o cilíndricos (Baffles) solucionan los problemas de luz parásita SDSS 2.5 m MPG/ESO 2.2 m La Silla 27
27 ESTRUCTURAS (2) 28
28 MONTURAS Permiten a los telescopios apuntar y seguir a los objetos celestes en su movimiento diurno. Coordenadas ecuatoriales: Eje polar y eje de declinación Ecuatoriales Acimutales Coordenadas horizontales: acimut y altura. 29
29 MONTURAS ECUATORIALES Una vez apuntado, el seguimiento se realiza moviendo sólo el eje polar a velocidad cte. Hay que ponerlos en estación: alinear el eje polar. Las tensiones que soportan los ejes varían según dhttp://www.astronomyasylum.com/telescopemountstutorial.htmlónde apunte. No presentan rotación de campo en el plano focal. Monturas asimétricas Montura inglesa (English mount) Montura alemana (German mount) 30
30 MONTURAS ECUATORIALES Eje polar Eje de declinación 31
31 MONTURAS ECUATORIALES 32
32 MONTURAS ECUATORIALES 33
33 MONTURAS ECUATORIALES SIMÉTRICAS (1) Montura en horquilla (Fork mount) 2.2m Calar Alto Montura inglesa de bastidor o cuna (English Yoke mount) UKIRT Mauna Kea 34
34 MONTURAS ECUATORIALES SIMÉTRICAS (2) Montura en herradura (Horseshoe mount) 200-inch Hale (Mount Palomar) 3.5m Calar Alto 35
35 MONTURAS ACIMUTALES (1) El seguimiento se realiza moviendo los dos ejes a la vez. Las tensiones que soportan los ejes son constantes para cualquier posición. Pueden cargar estructuras de telescopios enormes. 36
36 MONTURAS ACIMUTALES (2) Necesitan corregir la rotación de campo en el plano focal. No necesitan cúpulas tan grandes. 37
37 MONTURAS ACIMUTALES (3) telescopemountstutorial.html 38
38 MONTURAS 39
39 MONTURAS ESPECIALES (1) Heliostatos - Celostatos McMath-Pierce solar telescope 1.61 m f/54 National Solar Observatory/Kitt Peak 40
40 MONTURAS ESPECIALES (2) El círculo meridiano o telescopio de tránsitos, sólo permite observar las estrellas a su paso por el meridiano. Se empleaba para astrometría midiendo el instante de culminación y la distancia cenital. The Carlsberg Meridian Telescope Observatorio del Roque de los Muchachos Grubb-Parsons Meridian Circle Observatorio Carlos U. Cesco (Argentina) 41
41 FOCOS DE TELESCOPIOS (1) Los telescopios profesionales disponen de varios focos donde se sitúan los instrumentos. Foco primario Foco Newton Eje polar Foco Cassegrain Foco Coudé Eje de declinación 42
42 Foco primario FOCOS DE TELESCOPIOS (2) Es el foco del objetivo. No hay más espejos en el camino En él se suelen colocar cámaras de gran campo. INT 2.5m La Palma Cámara nir CIRSI en el foco primario del WHT 43
43 Foco primario FOCOS DE TELESCOPIOS (2) 44
44 FOCOS DE TELESCOPIOS (3) Foco Cassegrain Antes del foco primario se sitúa un espejo convexo que alarga la focal. El espejo primario está perforado para permitir el paso de la luz. El foco se sitúa detrás del espejo primario. WHT 4.2m La Palma Espectrógrafo ISIS en el cassegrain del WHT 45
45 Foco Nasmyth FOCOS DE TELESCOPIOS (4) Además del secundario se coloca un terciario en la intersección del eje óptico con el eje de altura (monturas acimutales). Se pueden colocar instrumentos pesados en las plataformas Nasmyth. WHT 4.2m La Palma Utrech Echelle Spectrograph (UES) en una de las plataformas Nasmyth del WHT 46
46 Foco Nasmyth FOCOS DE TELESCOPIOS (4) GTC 10.4m La Palma 47
47 Foco coudé FOCOS DE TELESCOPIOS (5) Además del secundario se coloca un terciario en la intersección del eje óptico con el eje de declinación (monturas ecuatoriales) y un cuaternario en la intersección del eje de declinación con el eje polar. Foco coudé El foco está fijo, en la sala coudé, y se colocan en él espectrógrafos de alta resolución. Esquema del 193cm de Haute Provence 48
48 FOCOS DE TELESCOPIOS (6) Focos en Subaru 8.2 m 49
49 ESPEJOS (1) Los espejos se fabrican en materiales de bajo coeficiente térmico. (ULE ultra low expansion substrate material) Materiales ULE Silicio fundido # Corning 7971 ULE (92.5% SiO % TiO2) Se pueden fabricar en trozos que se pegan fundiéndolos. Ej: Subaru 8.2m ZERODUR Cristal cerámico (Schott) Ej: Keck, VLT etc Visita: Mirror blank materials by James R. Graham (UCB) 50
50 Borosilicato PYREX (Corning) y Duran 50 (Schott) necesitan control térmico. posibilidad de reducir peso. ESPEJOS (2) Ej: 8.4m LBT (Large Binocular Telescope) Hubble: (Honeycomb en Hornos rotantes) Carburo de silicio (silicon carbide SiC) Rígido pero liviano. Alta conductividad y baja expansión térmica. Especial para telescopios espaciales. Espejo de 3.5m HERSCHEL en la cámara de aluminizado 51
51 REFLECTIVIDAD DE LOS ESPEJOS (1) Los espejos se recubren para que reflejen la luz eficientemente : Bronce (CuSn) pulido (R<70%) : Plata (Ag) depositada químicamente (R>90%) : Aluminio (Al) depositado por evaporación en vacío. Capa fina (200 nm) depositada sobre sustrato muy limpio. (10 g de Al para espejo de 8 m) Recubrimiento para protección: SiO, SiO 2, Al 2 O 3 Espejo primario del Gemini N saliendo de la cámara de aluminizado 52
52 REFLECTIVIDAD DE LOS ESPEJOS (2) El recubrimiento de plata es más eficiente en el infrarrojo. Además reduce la emisión térmica del espejo considerablemente lo que es muy útil en observaciones IR. Reflectividad comparada de Al y Ag Espejo de Gemini Sur con recubrimiento de Ag El espejo de Gemini usa recubrimiento de plata Nota de prensa 53
53 Resumen de contenidos El telescopio como un sistema óptico. Parámetros básicos: tamaño de espejo, distancia focal, relación focal, escala de placa, resolución, Tipos de telescopios: refractores, reflectores, tipos de óptica,etc Focos. Monturas: ventajas e inconvenientes. Espejos. 54
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