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I Telescopi, ovvero gli strumenti del mestiere

Luca Zangrilli (INAF-Arcetri) Astronomia Pratica May 16, 2015 1 / 35

Galileo

A Galileo sono legati i nomi di due stru-menti ottici: il telescopio e il microsco-pio composto. Probabilmente entrambele invenzioni vanno attribuite ad artigianiolandesi, ma Galileo ne perfezion ó leprestazioni.

Anche se la paternit á 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, sop rattutto per

quanto riguarda il telescopio: divengono strumenti di indagine scie ntifica.


Galileo

Nel 1609 Galileo costruisce il primo cannocchiale per uso scientifico. É il risul-tato della combinazione di due lenti, una piano-concava (oculare) e l’a ltra piano-convessa (obbiettivo), sistemate dentro un tubo.

Nelle figure vediamo i tubi di due telescopi e la lente obbiettivo del te lescopio diGalileo donato a Cosimo II nel Marzo 1610.


Galileo e il telescopio

Galileo speriment ó a lungo la fabbricazione delle lenti.

Avvalendosi della collaborazione dei vetrai di Murano, riuscı́ a co struire uncannocchiale dalle buone prestazioni.

Diede prova delle potenzialit á dello strumento al Senato veneziano il 21 agosto

1609.Luca Zangrilli (INAF-Arcetri) Astronomia Pratica May 16, 2015 4 / 35

Le prime osservazioni telescopiche

Durante le notti dell’autunno e dell’inverno successivi, utilizz ó il suo strumentoper osservare il cielo compiendo una serie di scoperte decisive per la nascita diuna nuova astronomia:




osserv ó montagne e crateri sulla superficie della Luna, fino ad alloraritenuta liscia e incorruttibile; la Luna é “... disuguale, scabra, piena di cavitáe sporgenze ...” e “... variata da macchie, come occhi cerulei d’una coda dipavone”.





studi ó 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 ...”;






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, chiam ati pianetimedicei: confrontando la natura di satelliti naturali dei pianeti medicei c onquella della Luna, stabilı́ che Giove era un pianeta simile alla Terra.


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 letesi copernicane. Ora gioca il tutto per tutto: pubblica un lavoro c he lo renderá oincredibilmente famoso o incredibilmente ridicolo, come ebbe a dire l’ambasciatorebritannico presso la Repubblica di Venezia.

Quest’opera contiene i risultati di 55 notti d’osservazione con il c annocchiale.

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.


Le osservazioni

Disegni di Galileo delle sue osservazioni (Sidereus nuncius).

La Luna nelle sue diverse fasi.


Le osservazioni

Disegni di Galileo delle sue osservazioni (Sidereus nuncius).

Giove e i Pianeti Medicei, i quali mostrano il loro moto orbitale attorn o a Giove.


L’inventore del telescopio a riflessione

Newton non fu l’inventore del telescopio a rilfessione.

Il suo studio sulla scomposizione della luce bianca, lo port ó a pensare che tutti irifrattori avrebbero sempre sofferto di aberrazione cromatic a.

Il telescopio a riflessione fu la risposta di

Newton al problema. Tuttavia, difficolt á

connesse alla lavorazione e alle prestazioni

degli specchio, fecero sı́ che si dovette

aspettare piú di un secolo prima che i riflettori

si affermassero.


Caratteristiche del telescopio di Newton

primario non esattamenteparabolico, praticamente sferico;

diametro circa 1.3 pollici (33 mm);

lunghezza focale 6 pollici(150mm);

ingrandimenti circa 40;

Prima versione 1668; una secondaversione fu presentata alla RoyalSociety in 1672 e quindi Newton fuammesso come membro dellasociet á sin quell’anno.


L’inventore del Telescopio a Riflessione

Il telescopio Cassegrain

Qualche tempo dopo la realizzazione del telescopio di Newton, un osc uro pro-fessore del Collegio di Chartres, il francese Laurent (o Guillaume, il vero nome éandato perduto) Cassegrain, rese noto il progetto di un telesco pio a secondarioconvesso. Le reazioni furono negative, soprattutto a opera di Huygens e Newton.

Nonostante queste opposizioni, questo telescopio e le sue derivazio ni si

imposero come quelli piú diffusi sia in campo amatoriale sia nel campo degli

astronomi professionisti.



Le funzioni principali di un telescopiosono:

aumentare la luminosit àdell’immagine di sorgenti deboli;

ingrandire la dimensioneapparente di un oggettoastrofisico.

Ció si realizza nei modi seguenti:

raccogliendo quanta più luce possibile con un obbiettivo di grandidimensioni, e comunque più di quanto non possa raccogliere dirett amentela pupilla dell’occhio;

mostrando all’occhio una immagine dell’oggetto che sottenda un angolomaggiore rispetto al caso in cui si osservi senza l’ausilio di uno stru mento.


Telescopi rifrattori e riflettori

Possiamo suddividere i telescopi in tre grandi famiglie:

i rifrattori, in cui l’elemento ottico principale, cio é 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 inriflessione.



I telescopi sono costituiti da:

un obbiettivo, che raccoglie la luce dell’oggetto astronomico che si vu oleosservare

un oculare,

una struttura meccanica (montatura), che mantiene allineate le ot tiche econsente il puntamento.

L’osservazione diretta al telescopio avviene accostando l’occhio all’o culare, equesto permette la visione di un immagine piú luminosa, ingrandita, e incondizioni non accomodate (occhio che guarda all’infinito).

L’oculare viene montato confocale con l’obbiettivo. Il barilotto che co ntiene leottiche dell’oculare viene alloggiato all’interno del tubo focheggiatore .



La misura standard del diametro del barilotto degli oculari é di 1′′ (24.5 mm), 1′′ e1/4 del sistema di misura inglese, pari 31,8 mm, ma esistono anche ocu lari da 2′′

(50,8 mm).

La differenza principale tra i due tipi é data dal campo inquadrato, maggiore nelsecondo. Le lunghezze focali vanno solitamente da 4 a piú di 30 mm .


Telescopio Astronomico o Kepleriano

Schema ottico di un telescopio kepleriano

α’α’

fe

piano della pupillaoculare

α

2

1

intermediaimmagine

F’o=Fe

fepupillareestrazionefo

obbiettivo

Considerando i triangoli simili aventi come cateto comune l’immagine

intermedia:

m = −fofe


Cannocchiale o telescopio Galileiano

Schema ottico di un telescopio galileiano

α’

obbiettivo

α

fo fe

2

1

piano della pupilla

3

oculare

F’o=Fe

fe

Analogamente al caso kepleriano:

m = −fofe



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.







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 .


Telescopi a riflessione

Specchi a sezione conica nei telescopi.

per ogni superficie riflettente conica di rivoluzione, esiste una cop pia di punti (idue fuochi della conica), per i quali tutti i raggi uscenti da uno d ei due puntivanno a concentrarsi nell’altro, indipendentemente dall’apertura d el raggio.

Conseguenze:

in campo astronomico possiamo adottare uno specchio primarioparaboloide, per cui un punto oggetto all’infinito e assiale viene coniug atocon il fuoco del paraboloide stesso;

l’immagine non é affetta da aberrazione sferica e da aberrazioni in genereper un punto in asse;

é possibile accoppiare superfici coniche diverse, avendo cura di fa rcoincidere un fuoco di una superficie con uno dei fuoichi dell’altra.


Telescopio newtoniano

Elementi costitutivi di un telescopio riflettore in configurazione Ne wton

I raggi luminosi provenienti dall’astro distante, posto in direzione d ell’asseottico, incidono sullo specchio parabolico S 1 e per le propriet á focali dellaparabola vengono fatti convergere nel punto Fo, fuoco della parabola.

Prima di arrivare nel fuoco, i raggi vengono intercettati dallo sp ecchiosecondario S 2 piano, e inviati verso il fuoco F′, senza modificarene laconvergenza.

oculare

fuoco del primario

specchio secondariopiano

specchio primarioparabolico



I raggi provenenienti da un altro astro o punto nel cielo, quindi fu ori asse,formano un angolo u con l’asse ottico, e dopo due riflessioni si focalizzanonel punto F′′. In questo caso l’immagine sar á affetta daaberrazioni via viacrescenti, in particolar modo da coma.

Un oculare confocale con il fuoco (estratto) del primario, rendenuovamente paralleli i raggi di un punto oggetto, cosicch é l’immagine pu óessere osservata dall’occhio in condizioni non accomodate.

oculare

fuoco del primario





oculare

fuoco del primario




Telescopio in configurazione cassegrain

Un’altra configurazione é quella di Cassegrain, in cui lo specchio primario éancora un paraboloide, ma forato al centro, mentre il secondario é uniperboloide.

I raggi luminosi provenienti da una sorgente assiale all’infinito, incido nosullo specchio parabolico S 1 e vengono fatti convergere nel fuoco delprimario Fo.

Prima di arrivare in Fo, i raggi vengono intercettati dallo specchiosecondario S 2 iperbolico; poich é un fuoco dell’iperboloide coincide colfuoco del primario, virtualmente é come se i raggi provenissero da Fo,quindi vengono riflessi verso il secondo fuoco dell’iperbole, F2, passandoattraverso il foro praticato nel primario. Nel caso di un iperboloid eentrambi i fuochi sono a distanza finita.

a ef−a

specchio primario

iperbolicospecchio secondario parabolico

oculare

fuoco delprimario


Telescopio in configurazione cassegrain

Analogamente al caso del newtoniano, i raggi provenienti da un p untofuori asse, vengono fatto convergere nel punto Fi, e un oculare confocalecol piano focale, individuato da F2, permette di riottenere fasci di raggiparalleli, per ciascuna sorgente nel campo del telescopio, e l’occhioosserva in condizioni accomodate.

Non c’e’ aberrazione sferica.

a ef−a

specchio primario


oculare

fuoco delprimario


Telescopio Cassegrain

a ef−a

specchio primario


oculare

fuoco delprimario


Le montature dei telescopi


La montatura equatoriale

Nelle equatoriali, i due assi sono detti asse polare e asse di declinaz ione: l’assepolare viene diretto parallelamente all’asse terrestre, mentre l’altro , detto assedi declinazione, viene orientato sull’astro in esame.

Una volta orientato correttamente l’asse di declinazione, per mant enere l’asseottico del telescopio puntato sull’oggetto in esame, basta far ruot are iltelescopio attorno all’asse polare in verso opposto e con la stessa ve locit á dirotazione della Terra. Non c’ é rotazione di campo.


La montatura equatoriale


Differenti tipi di montatura equatoriale

Montatura tedesca

É stata questa la prima montatura equatoriale ed é tutt’ora usatissima nelcampo amatoriale. Il telescopio é sempre posizionato da una parte (ora Est oraOvest del meridiano dell’osservatore) mentre dall’altra parte sono p osti deicontrappesi che bilanciano il peso strumentale.



Montatura inglese

Nella montatura inglese il telescopio é situato al centro di una culla che puntaverso il Nord celeste.



Montatura a forcella

Il telescopio é fissato all’interno di una forcella che punta il Polo Nord celeste.Consente l’accessibilit á al polo e non ha problemi di reversibilit á di assi. L’unicosvantaggio é rappresentato dal fuori centro delle masse rispetto all’assegravitazionale ideale.


Montature altazimutali

Con le montature altazimutali (o azimutali), i telescopi possono ruo tare attornoa due assi, uno verticale, con il quale si orienta l’asse ottico del teles copio inazimut, e uno orizzontale, con il quale si orienta l’asse in altezza.

Questi telescopi hanno quindi bisogno di due movimenti continui p er poterseguire le stelle, a differenza dei telescopi con montature equato riali che nehanno bisogno di uno solo e molto semplice.


Altri schemi di base

Il Telescopio Terrestre o Cannocchiale

Binocolo


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