Telescopios Ópticos

Instrumentacin Astronmica - Jaime Zamorano & Jess Gallego - Fsicas UCM - Telescopios pticos1

TELESCOPIOS (1/2)TELESCOPIOS (1/2)

INSTRUMENTACIINSTRUMENTACIN ASTRONN ASTRONMICAMICA MMsterster AstrofAstrofsicasica


TELESCOPIOS PTICOS

Primera parte Descripcin esquemtica de un telescopio. Escala de placa. Relacin focal. Resolucin. Aberraciones.

Magnitud lmite visual. Telescopios refractores. Telescopios reflectores. Cassegrain. Cmara Schmidt. Monturas y estructuras. Focos. Espejos

Segunda parte Proteccin de Telescopios Telescopios de gran objetivo. Espejos delgados. ptica activa. Segmentacin. Telescopios mltiples. ptica adaptativa. Telescopios enormes.


ESQUEMA DE UN TELESCOPIO (I)

Telescopio para uso visual

objetivo planofocal ocular

El objetivo forma la imagen en el plano focal. All se observa con detalle con ayuda de un ocular


ESQUEMA DE UN TELESCOPIO (II)

Telescopio para uso visual Crculo ocular

Plano focal ocular

El crculo ocular es la imagen del objetivo dada por el ocular. Todos los rayos que transmite el instrumento pasan necesariamente por el objetivoY atraviesan el crculo ocular que es su imagen conjugada.En este sistema sencillo el objetivo es la Pupila de Entrada y

el crculo ocular la Pupila de Salida


ESCALA DE PLACA

objetivo planofocal

La escala de placaindica el tamao linealque tendrn las imgenesque se forman en el planofocal o la distancia linealentre ellas.

P (/mm) = 206265 /f(mm)

s = f .

/s = 1 / f

f

Ejemplo: Telescopio de f=15 mP= 206265 / 15000 = 13,8 /mm

Las imgenes de dos objetos separados 2 en el cielox = 120 / 13,8 /mm = 8,7 mm

Campo en un detector de 2 x 2 cm20 mm 13,8 /mm = 276 = 4 36 (4 36 x 4 36)


RELACIN FOCAL

La relacin focal es la razn entre la distancia focal del objetivo y su dimetro.

D D

f1 f2

F=D/f

El telescopio de la izquierda tiene un nmero F mayorF1 > F2 y es por eso ms luminoso.

Como f2 > f1 la escala de placa es mayor en el de la izquierday el campo registrado en un detector de igual tamao ser mayor.

f= 4 D F=4 f/4

La cantidad de energa recogida es proporcionalel rea del objetivo. La energa se distribuye portodo el rea de la imagen.

La densidad de flujo (energa/unidad rea)en el plano de la imagen:

Iluminacin = (D/f)2

Por eso a F se le llama abertura relativa.


RESOLUCIN (I)En la imagen de una estrella (objeto puntual) sepuede apreciar un crculo luminoso (disco de Airy)rodeado de anillos (difraccin de Fraunhofer).

n= mn /DLas posiciones de los mnimos de intensidad

donde los factores numricos m m=1.22 para n=1m=2.23 n=2m=3.24 n=3

J1 funcin de Bessel de primera clase primer ordena=D/2 radio de la aberturaI0 Intensidad mxima en el centro del patrn de difraccink=2/ nmero de onda


RESOLUCIN (II)

Tamao del disco de Airy

(hasta el primer mnimo; contiene 84% de la luz)

Roy & Clarke fig. 16.6


RESOLUCIN (III)

El poder de resolucin de un telescopio mide su capacidad de resolver detalles en imgenes.

Si dos estrellas tienen el mismo brillo, la resolucindel sistema puede ser determinado por la separacin angular ms pequea entre esas fuentes que aun permita al sistema resolverlas.

Resolucin (Rayleigh)

Criterio de Rayleigh: dos fuentes puntuales son precisamente resueltas si el mximo del patrn de difraccin de un punto cae en el primer anillo oscuro del patrn de difraccin del segundo punto.


ABERRACIONES(1)Las aberraciones de los telescopios deterioran la calidad de las imgenes.

Aberracin esfrica.

Imgenes de M100 antes y despus de solucionar el problema de la aberracin esfrica del HST


ABERRACIONES (2)

Aberracin de Coma.

Otras aberraciones: Astigmatismo. Curvatura de campo. Distorsin. Aberracin cromtica.

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.html

Vase Telescopios y estrellas by Malacara & Malacara

Observational Techniques by Jon Holtzmanhttp://astronomy.nmsu.edu/holtz/a535/

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.htmlhttp://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.html


MAGNITUD LMITE VISUAL

Magnitud lmite visual

Ganancia en magnitudes

Conversin de irradianciasa magnitudes (Pogson)

Lmite a simple vista

ejemplo


TELESCOPIOS REFRACTORES (1)

El objetivo est formado por lentes.

PRO: montado en un tubo, bajo mantenimiento.CONTRA:

Aberracin cromtica (tripletes acromticos).Problemas tcnicos para construir y mantenerobjetivos de gran tamao.

Telescopio de Yerkes de 40 (~1 m)



Telescopio de Galileo (Lippershey 1608)

Telescopio de Kepler

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.html

Vase Ciencia para todos: Astronoma

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.htmlhttp://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/astronomia.html



Astrgrafo doble (OAN, Yebes)D=40 cm f=200 cm

Adecuado para la observacin de objetos astronmicos con movimiento propio (asteroides y cometas).

Lick ObservatoryCarnegie Double Astrograph

20-inch refractorsField of View 6 x 6 degree17 x 17 inch photographic plate


TELESCOPIOS REFLECTORES

El objetivo es un espejo cncavo.

PRO: No tiene aberracin cromtica.El objetivo est sujeto por detrsy puede construirse ms grande.

CONTRA: Problemas de mantenimiento: colimado, limpieza, aluminizado.

Inauguracin en 1948 del Telescopio Hale (200) de Mt. Palomar

Telescopio espacial Hubble


TELESCOPIO CASSEGRAIN (1)

Primario parablico

Secundario hiperblico

Si el primario fuera esfrico, el telescopio sufriraaberracin esfrica

Cassegrain (1672)


TELESCOPIO CASSEGRAIN (2)Dimetro Radio de Curvatura Focal

primariosecundario



Factor de amplificacinFocal resultante

Relacin focal efectiva

Relacin focalprimario



ESO Telescopio 1.5 m


TELESCOPIO CASSEGRAIN (5)El sistema Cassegrain clsico todava presenta aberracin esfrica.

Primario SecundarioCuasi-Cassegrain esfrico sobrecorregidoDall-Kirham elptico esfricoRitchey-Chrtien hiperblico hiperblico (ms que el clsico)

(elimina coma) (elimina aberracin esfrica)Gregory parablico elptico (cncavo)

Schmidt-Cassegrain. Maksutov (simplificado)

Son sistemas catadiptricos con una lmina correctora. (vase Cmara Schmidt)


CMARA SCHMIDT (1)

Idea 1: Espejo esfrico + diafragma en el centro de curvatura Imgenes buenas en todo el campo (no hay coma).

Bernard Schmidt (1931) Ein lichtstarkes komafreies Spiegelsystem

El alineamiento del centro de curvatura, foco y superficie del espejo es idntica para cualquier ngulo Misma aberracin esfrica en todo el campo.


CMARA SCHMIDT (2)

Idea 2: Lmina correctora (en el centro de curvatura del espejo)para evitar aberracin esfrica. ( sin tener que parabolizar el primario !)

Espejo esfrico + diafragma en el centro de curvatura: Libre de aberracin cromtica, coma, astigmatismo y distorsin.Tiene aberracin esfrica y curvatura de campo.

La lmina correctora aumenta la focal para haces lejanos al eje ptico (como una lente divergente y la reduce para rayos prximos (lente convergente).


CMARA SCHMIDT (3)

El foco se encuentra en el interior del telescopio, en el foco primario.El plano focal es curvo.


CMARA SCHMIDT (4)

Schmidt Calar Alto

Ventajas: Muy luminosa (F pequeo) Gran campo Ideal para exploraciones

Inconvenientes: Superficie focal curva Doble longitud del tubo Obstruccin parcial de los rayos Placa correctora introduce

aberracin cromtica y algo de coma

Placa (cm)

Espejo(cm)

f (m)

f/D Campo Placa (cm2)

Palomar 120 180 3 2.5

3

3

46 x 46

Calar Alto 80 120 2.4

7o x 7o

5.5 x 5.5 24 x 24

ESO 100 162 3 5 x 5 30 x 30


Sostiene y mantiene colimados los elementos pticos. Permiten el acoplamiento de los sistemas de anlisis y deteccin. No deben existir vibraciones, ni permitir que llegue luz difusa. Se deben compensar las dilataciones trmicas.

TUBULAR preferida de refractores y Cmara Schmidt.Excesivo peso, pero impide por completo la luz difusa.

ESTRUCTURAS (1)


ESTRUCTURAS (2)

SERRURIER para reflectores de gran tamao.Celdas (primario y secundario) de anillas y barras cruzadas.

Centro de gravedad cerca del primario; ah se acopla a la montura.

Diafragmas troncocnicos o cilndricos (Baffles)solucionan los problemas de luz parsita

SDSS 2.5 m MPG/ESO 2.2 m La Silla


MONTURAS

Permiten a los telescopios apuntar y seguir a los objetos celestes en su movimiento diurno.

Acimutales

Coordenadas horizontales: acimut y altura.

Ecuatoriales

Coordenadas ecuatoriales:Eje polar y eje de declinacin


MONTURAS ECUATORIALES

Una vez apuntado, el seguimiento se realiza moviendo slo el eje polar a velocidad cte. Hay que ponerlos en estacin: alinear el eje polar. Las tensiones que soportan los ejes varan segn dnde apunte. No presentan rotacin de campo en el plano focal.

Montura alemana(German mount)

Montura inglesa(English mount)

Monturas asimtricas


MONTURAS ECUATORIALES SIMTRICAS

Montura en horquilla(Fork mount)

Montura inglesa de bastidoro cuna (English Yoke mount)

2.2m Calar Alto

UKIRT Mauna Kea


MONTURAS ECUATORIALES SIMTRICASMontura en herradura(Horseshoe mount)

200-inch Hale (Mount Palomar) 3.5m Calar Alto


MONTURAS ACIMUTALES (1)

El seguimiento se realiza moviendo los dos ejes a la vez. Las tensiones que soportan los ejes son ctes. Pueden cargar estructuras de telescopios enormes.


MONTURAS ACIMUTALES (2)

Necesitan corregir la rotacin de campo en el plano focal.

No necesitan cpulas tan grandes.


MONTURAS ESPECIALES (1)

Heliostatos - Celostatos

McMath-Pierce solar telescope 1.61 m f/54National Solar Observatory/Kitt Peak

http://nsokp.nso.edu/mp/

http://nsokp.nso.edu/mp/http://nsokp.nso.edu/mp/


MONTURAS ESPECIALES (2)

Grubb-Parsons Meridian Circle Observatorio Carlos U. Cesco (Argentina)

The Carlsberg Meridian TelescopeObservatorio del Roque de los Muchachoshttp://www.ast.cam.ac.uk/~dwe/SRF/camc.html

El crculo meridiano o telescopio de trnsitos, slo permite observar lasestrellas a su paso por el meridiano. Se empleaba para astrometra midiendo el instante de culminacin y la distancia cenital.

http://www.ast.cam.ac.uk/~dwe/SRF/camc.htmlhttp://www.ast.cam.ac.uk/~dwe/SRF/camc.html


FOCOS DE TELESCOPIOS (1)

Foco primario

Foco Newton

Foco Cassegrain

Foco Coud

Los telescopios profesionales disponen de varios focos donde se sitan los instrumentos.

Eje de declinacin

Eje polar



Foco primario

Es el foco del objetivo. No hay ms espejos en el caminoEn l se suelen colocar cmaras de gran campo.

INT 2.5m La Palma Cmara nIR CIRSI en el foco primario del WHT



Foco Cassegrain

Antes del foco primario se sita un espejo convexo que alarga la focal. El espejo primario est perforado para permitir el paso de la luz.El foco se sita detrs del espejo primario.

WHT 4.2m La Palma Espectrgrafo ISIS en el foco cassegrain del WHT



Foco Nasmyth

Adems del secundario se coloca un terciario en la interseccin del eje ptico con el eje de altura (monturas acimutales).Se pueden colocar instrumentos pesados en las plataformas Nasmyth.

Utrech Echelle Spectrograph (UES) en una de las plataformas Nasmyth del WHTWHT 4.2m La Palma


Adems del secundario se coloca un terciario en la inter-seccin del eje ptico con el eje de declinacin (monturas ecuatoriales) y un cuaternario en la interseccin del eje de declinacin con el eje polar.

El foco est fijo, en la sala coud, y se colocan en l espectrgrafos de alta resolucin.


Foco coud

Foco coud

Esquema del 193cm de Haute Provence



Focos en Subaru 8.2 m

http://www.naoj.org/Introduction/telescope.html

http://www.naoj.org/Introduction/telescope.htmlhttp://www.naoj.org/Introduction/telescope.html


ESPEJOS (1)

Los espejos se fabrican en materiales de bajo coeficiente trmico.(ULE ultra low expansion substrate material)

Materiales ULE

Silicio fundido # Corning 7971 ULE (92.5% SiO2 + 7.5% TiO2)Se pueden fabricar en trozos que se pegan fundindolos.Ej: Subaru 8.2m

ZERODUR Cristal cermico (Schott)Ej: Keck, VLT etc

http://grus.berkeley.edu/~jrg/MATERIALS/Visita: Mirror blank materials by James R. Graham (UCB)

http://grus.berkeley.edu/~jrg/MATERIALS/node4.htmlhttp://grus.berkeley.edu/~jrg/MATERIALS/node4.html


ESPEJOS (2)

Espejo de 3.5m HERSCHELen la cmara de aluminizado

Carburo de silicio (silicon carbide SiC) Rgido pero liviano. Alta conductividad y baja expansin trmica Especial para telescopios espaciales

Ej: espejo del telescopio Herscheltiene 3mm de espesor.

Borosilicato PYREX (Corning) y Duran 50 (Schott) necesitan control trmico posibilidad de reducir peso

Ej: 8.4m LBT (Large Binocular Telescope) (Honeycomb en Hornos rotantes)


REFLECTIVIDAD DE LOS ESPEJOS (I) Los espejos se recubren para que reflejen la luz eficientemente.

1660-1860: Bronce (CuSn) pulido (R90%). 1935-2000: Aluminio (AL) depositado por evaporacin en vaco.

Capa fina (200 nm) depositada sobre sustrato muy limpio.(10 g de Al para espejo de 8 m)

Recubrimiento para proteccin: SiO, SiO2, Al2O3Espejo primario del Gemini Nsaliendo de la cmara de aluminizado


REFLECTIVIDAD DE LOS ESPEJOS (II)

El recubrimiento de plata es ms eficiente en el infrarrojo. Adems reduce la emisin trmica del espejo considerablemente

lo que es muy til en observaciones IR.

Reflectividad comparada de Al y AgEspejo de Gemini Sur con recubrimiento de Ag

El espejo de Gemini usa recubrimiento de plata Nota de prensa

http://www.pparc.ac.uk/Nw/s_mirror.asp?Tx=1

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