Corso di Astronomia Pratica

I Telescopi, ovvero gli strumenti del mestiere
Luca Zangrilli (INAF-Arcetri)
Astronomia Pratica
May 16, 2015
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Galileo
A Galileo sono legati i nomi di due strumenti ottici: il telescopio e il microscopio composto. Probabilmente entrambe
le invenzioni vanno attribuite ad artigiani
olandesi, ma Galileo ne perfezionó le
prestazioni.
Anche se la paternitá di questi strumenti non é chiaramente identificabile,
l’importanza di Galileo consiste nell’uso che ne viene fatto e nella
rivendicazione del potere conoscitivo che ne deriva da tale uso, soprattutto per
quanto riguarda il telescopio: divengono strumenti di indagine scientifica.
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Galileo
Nel 1609 Galileo costruisce il primo cannocchiale per uso scientifico. É il risultato della combinazione di due lenti, una piano-concava (oculare) e l’altra pianoconvessa (obbiettivo), sistemate dentro un tubo.
Nelle figure vediamo i tubi di due telescopi e la lente obbiettivo del telescopio di
Galileo donato a Cosimo II nel Marzo 1610.
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Galileo e il telescopio
Galileo sperimentó a lungo la fabbricazione delle lenti.
Avvalendosi della collaborazione dei vetrai di Murano, riuscı́ a costruire un
cannocchiale dalle buone prestazioni.
Diede prova delle potenzialitá dello strumento al Senato veneziano il 21 agosto
1609.
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Le prime osservazioni telescopiche
Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizzó il suo strumento
per osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita di
una nuova astronomia:
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Le prime osservazioni telescopiche
Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizzó il suo strumento
per osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita di
una nuova astronomia:
osservó montagne e crateri sulla superficie della Luna, fino ad allora
ritenuta liscia e incorruttibile; la Luna é “... disuguale, scabra, piena di cavitá
e sporgenze ...” e “... variata da macchie, come occhi cerulei d’una coda di
pavone”.
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Le prime osservazioni telescopiche
Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizzó il suo strumento
per osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita di
una nuova astronomia:
osservó montagne e crateri sulla superficie della Luna, fino ad allora
ritenuta liscia e incorruttibile; la Luna é “... disuguale, scabra, piena di cavitá
e sporgenze ...” e “... variata da macchie, come occhi cerulei d’una coda di
pavone”.
studió il moto relativo della Luna e della Terra;
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Le prime osservazioni telescopiche
Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizzó il suo strumento
per osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita di
una nuova astronomia:
osservó montagne e crateri sulla superficie della Luna, fino ad allora
ritenuta liscia e incorruttibile; la Luna é “... disuguale, scabra, piena di cavitá
e sporgenze ...” e “... variata da macchie, come occhi cerulei d’una coda di
pavone”.
studió il moto relativo della Luna e della Terra;
capı́ che la Via Lattea era un insieme di stelle; essa é descritta come “...
una congerie di innumerevoli stelle, disseminate a mucchi ...”;
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Le prime osservazioni telescopiche
Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizzó il suo strumento
per osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita di
una nuova astronomia:
osservó montagne e crateri sulla superficie della Luna, fino ad allora
ritenuta liscia e incorruttibile; la Luna é “... disuguale, scabra, piena di cavitá
e sporgenze ...” e “... variata da macchie, come occhi cerulei d’una coda di
pavone”.
studió il moto relativo della Luna e della Terra;
capı́ che la Via Lattea era un insieme di stelle; essa é descritta come “...
una congerie di innumerevoli stelle, disseminate a mucchi ...”;
osservando Giove, scoprı́ i suoi quattro satelliti principali, chiamati pianeti
medicei: confrontando la natura di satelliti naturali dei pianeti medicei con
quella della Luna, stabilı́ che Giove era un pianeta simile alla Terra.
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Il Messaggio dalle Stelle (... o Messaggero Celeste)
Quando si accinge a scrivere il Sidereus Nuncius, Galileo ha quasi cinquant’anni.
Prima di quest’opera ha prodotto solo scritti minori. Da sette anni sostiene le
tesi copernicane. Ora gioca il tutto per tutto: pubblica un lavoro che lo renderá o
incredibilmente famoso o incredibilmente ridicolo, come ebbe a dire l’ambasciatore
britannico presso la Repubblica di Venezia.
Quest’opera contiene i risultati di 55 notti d’osservazione con il cannocchiale.
Il trattato é scritto in latino e la prima
edizione viene pubblicata nel 1610. Dal
frontespizio appare la dedica dei quattro
satelliti di Giove alla famiglia dei Medici.
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Le osservazioni
Disegni di Galileo delle sue osservazioni (Sidereus nuncius).
La Luna nelle sue diverse fasi.
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Le osservazioni
Disegni di Galileo delle sue osservazioni (Sidereus nuncius).
Giove e i Pianeti Medicei, i quali mostrano il loro moto orbitale attorno a Giove.
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L’inventore del telescopio a riflessione
Newton non fu l’inventore del telescopio a rilfessione.
Il suo studio sulla scomposizione della luce bianca, lo portó a pensare che tutti i
rifrattori avrebbero sempre sofferto di aberrazione cromatica.
Il telescopio a riflessione fu la risposta di
Newton al problema. Tuttavia, difficoltá
connesse alla lavorazione e alle prestazioni
degli specchio, fecero sı́ che si dovette
aspettare piú di un secolo prima che i riflettori
si affermassero.
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Caratteristiche del telescopio di Newton
primario non esattamente
parabolico, praticamente sferico;
diametro circa 1.3 pollici (33 mm);
lunghezza focale 6 pollici
(150mm);
ingrandimenti circa 40;
Prima versione 1668; una seconda
versione fu presentata alla Royal
Society in 1672 e quindi Newton fu
ammesso come membro della
societá sin quell’anno.
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L’inventore del Telescopio a Riflessione
Il telescopio Cassegrain
Qualche tempo dopo la realizzazione del telescopio di Newton, un oscuro professore del Collegio di Chartres, il francese Laurent (o Guillaume, il vero nome é
andato perduto) Cassegrain, rese noto il progetto di un telescopio a secondario
convesso. Le reazioni furono negative, soprattutto a opera di Huygens e Newton.
Nonostante queste opposizioni, questo telescopio e le sue derivazioni si
imposero come quelli piú diffusi sia in campo amatoriale sia nel campo degli
astronomi professionisti.
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I Telescopi, ovvero gli strumenti del mestiere
Le funzioni principali di un telescopio
sono:
aumentare la luminosità
dell’immagine di sorgenti deboli;
ingrandire la dimensione
apparente di un oggetto
astrofisico.
Ció si realizza nei modi seguenti:
raccogliendo quanta più luce possibile con un obbiettivo di grandi
dimensioni, e comunque più di quanto non possa raccogliere direttamente
la pupilla dell’occhio;
mostrando all’occhio una immagine dell’oggetto che sottenda un angolo
maggiore rispetto al caso in cui si osservi senza l’ausilio di uno strumento.
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Telescopi rifrattori e riflettori
Possiamo suddividere i telescopi in tre grandi famiglie:
i rifrattori, in cui l’elemento ottico principale, cioé l’obiettivo, é una lente;
i riflettori, in cui l’obiettivo é uno specchio.
i catadiottrici, in cui sono presenti sia ottiche in trasmssione sia in
riflessione.
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I Telescopi, ovvero gli strumenti del mestiere
I telescopi sono costituiti da:
un obbiettivo, che raccoglie la luce dell’oggetto astronomico che si vuole
osservare
un oculare,
una struttura meccanica (montatura), che mantiene allineate le ottiche e
consente il puntamento.
L’osservazione diretta al telescopio avviene accostando l’occhio all’oculare, e
questo permette la visione di un immagine piú luminosa, ingrandita, e in
condizioni non accomodate (occhio che guarda all’infinito).
L’oculare viene montato confocale con l’obbiettivo. Il barilotto che contiene le
ottiche dell’oculare viene alloggiato all’interno del tubo focheggiatore.
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I Telescopi, ovvero gli strumenti del mestiere
La misura standard del diametro del barilotto degli oculari é di 1′′ (24.5 mm), 1′′ e
1/4 del sistema di misura inglese, pari 31,8 mm, ma esistono anche oculari da 2′′
(50,8 mm).
La differenza principale tra i due tipi é data dal campo inquadrato, maggiore nel
secondo. Le lunghezze focali vanno solitamente da 4 a piú di 30 mm.
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Telescopio Astronomico o Kepleriano
Schema ottico di un telescopio kepleriano
2
obbiettivo
oculare
piano della pupilla
1
immagine
F’o=Fe intermedia
α
α’
α’
fe
fo
fe
estrazione
pupillare
Considerando i triangoli simili aventi come cateto comune l’immagine
intermedia:
m=−
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fo
fe
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Schema ottico di un telescopio galileiano
piano della pupilla
2
fe
oculare
1
α’
α
F’o=Fe
3
fo
fe
obbiettivo
Analogamente al caso kepleriano:
m=−
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fo
fe
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Principali vantaggi del telescopio galileiano:
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Principali vantaggi del telescopio galileiano:
Trovandosi l’oculare prima del fuoco lo strumento risulta compatto.
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Principali vantaggi del telescopio galileiano:
Trovandosi l’oculare prima del fuoco lo strumento risulta compatto.
Essendo l’immagine intermedia virtuale, l’immagine finale risulta eretta.
Svantaggi del telescopio galileiano:
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Principali vantaggi del telescopio galileiano:
Trovandosi l’oculare prima del fuoco lo strumento risulta compatto.
Essendo l’immagine intermedia virtuale, l’immagine finale risulta eretta.
Svantaggi del telescopio galileiano:
Gli ingrandimenti ottenibili sono limitati.
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Cannocchiale o telescopio Galileiano
Principali vantaggi del telescopio galileiano:
Trovandosi l’oculare prima del fuoco lo strumento risulta compatto.
Essendo l’immagine intermedia virtuale, l’immagine finale risulta eretta.
Svantaggi del telescopio galileiano:
Gli ingrandimenti ottenibili sono limitati.
Non è possibile utilizzare un reticolo.
La pupilla d’uscita cade all’interno dello strumento.
Diaframmare l’obbiettivo comporta una riduzione ulteriore del campo.
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Telescopi a riflessione
Specchi a sezione conica nei telescopi.
per ogni superficie riflettente conica di rivoluzione, esiste una coppia di punti (i
due fuochi della conica), per i quali tutti i raggi uscenti da uno dei due punti
vanno a concentrarsi nell’altro, indipendentemente dall’apertura del raggio.
Conseguenze:
in campo astronomico possiamo adottare uno specchio primario
paraboloide, per cui un punto oggetto all’infinito e assiale viene coniugato
con il fuoco del paraboloide stesso;
l’immagine non é affetta da aberrazione sferica e da aberrazioni in genere
per un punto in asse;
é possibile accoppiare superfici coniche diverse, avendo cura di far
coincidere un fuoco di una superficie con uno dei fuoichi dell’altra.
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Telescopio newtoniano
Elementi costitutivi di un telescopio riflettore in configurazione Newton
I raggi luminosi provenienti dall’astro distante, posto in direzione dell’asse
ottico, incidono sullo specchio parabolico S 1 e per le proprietá focali della
parabola vengono fatti convergere nel punto Fo , fuoco della parabola.
Prima di arrivare nel fuoco, i raggi vengono intercettati dallo specchio
secondario S 2 piano, e inviati verso il fuoco F ′ , senza modificarene la
convergenza.
oculare
specchio primario
parabolico
specchio secondario
piano
fuoco del primario
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Telescopio newtoniano
I raggi provenenienti da un altro astro o punto nel cielo, quindi fuori asse,
formano un angolo u con l’asse ottico, e dopo due riflessioni si focalizzano
nel punto F ′′ . In questo caso l’immagine sará affetta daaberrazioni via via
crescenti, in particolar modo da coma.
Un oculare confocale con il fuoco (estratto) del primario, rende
nuovamente paralleli i raggi di un punto oggetto, cosicché l’immagine puó
essere osservata dall’occhio in condizioni non accomodate.
oculare
specchio primario
parabolico
specchio secondario
piano
fuoco del primario
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Telescopio newtoniano
oculare
specchio primario
parabolico
specchio secondario
piano
fuoco del primario
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Telescopio in configurazione cassegrain
Un’altra configurazione é quella di Cassegrain, in cui lo specchio primario é
ancora un paraboloide, ma forato al centro, mentre il secondario é un
iperboloide.
I raggi luminosi provenienti da una sorgente assiale all’infinito, incidono
sullo specchio parabolico S 1 e vengono fatti convergere nel fuoco del
primario Fo .
Prima di arrivare in Fo , i raggi vengono intercettati dallo specchio
secondario S 2 iperbolico; poiché un fuoco dell’iperboloide coincide col
fuoco del primario, virtualmente é come se i raggi provenissero da Fo ,
quindi vengono riflessi verso il secondo fuoco dell’iperbole, F2 , passando
attraverso il foro praticato nel primario. Nel caso di un iperboloide
entrambi i fuochi sono a distanza finita.
fuoco del
primario
specchio primario
parabolico
specchio secondario
iperbolico
oculare
f−a
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a
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e
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Telescopio in configurazione cassegrain
Analogamente al caso del newtoniano, i raggi provenienti da un punto
fuori asse, vengono fatto convergere nel punto Fi, e un oculare confocale
col piano focale, individuato da F2 , permette di riottenere fasci di raggi
paralleli, per ciascuna sorgente nel campo del telescopio, e l’occhio
osserva in condizioni accomodate.
Non c’e’ aberrazione sferica.
fuoco del
primario
specchio primario
parabolico
specchio secondario
iperbolico
oculare
f−a
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a
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e
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Telescopio Cassegrain
fuoco del
primario
specchio primario
parabolico
specchio secondario
iperbolico
oculare
f−a
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a
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e
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Le montature dei telescopi
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La montatura equatoriale
Nelle equatoriali, i due assi sono detti asse polare e asse di declinazione: l’asse
polare viene diretto parallelamente all’asse terrestre, mentre l’altro, detto asse
di declinazione, viene orientato sull’astro in esame.
Una volta orientato correttamente l’asse di declinazione, per mantenere l’asse
ottico del telescopio puntato sull’oggetto in esame, basta far ruotare il
telescopio attorno all’asse polare in verso opposto e con la stessa velocitá di
rotazione della Terra. Non c’é rotazione di campo.
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La montatura equatoriale
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Differenti tipi di montatura equatoriale
Montatura tedesca
É stata questa la prima montatura equatoriale ed é tutt’ora usatissima nel
campo amatoriale. Il telescopio é sempre posizionato da una parte (ora Est ora
Ovest del meridiano dell’osservatore) mentre dall’altra parte sono posti dei
contrappesi che bilanciano il peso strumentale.
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Differenti tipi di montatura equatoriale
Montatura inglese
Nella montatura inglese il telescopio é situato al centro di una culla che punta
verso il Nord celeste.
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Differenti tipi di montatura equatoriale
Montatura a forcella
Il telescopio é fissato all’interno di una forcella che punta il Polo Nord celeste.
Consente l’accessibilitá al polo e non ha problemi di reversibilitá di assi. L’unico
svantaggio é rappresentato dal fuori centro delle masse rispetto all’asse
gravitazionale ideale.
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Montature altazimutali
Con le montature altazimutali (o azimutali), i telescopi possono ruotare attorno
a due assi, uno verticale, con il quale si orienta l’asse ottico del telescopio in
azimut, e uno orizzontale, con il quale si orienta l’asse in altezza.
Questi telescopi hanno quindi bisogno di due movimenti continui per poter
seguire le stelle, a differenza dei telescopi con montature equatoriali che ne
hanno bisogno di uno solo e molto semplice.
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Altri schemi di base
Il Telescopio Terrestre o Cannocchiale
Binocolo
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