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Un telescopio reflector (también llamado reflector ) es un telescopio que utiliza uno o varios espejos curvos que reflejan la luz y forman una imagen . El telescopio reflector fue inventado en el siglo XVII por Isaac Newton como alternativa al telescopio refractor, que en aquel entonces presentaba una grave aberración cromática . Si bien los telescopios reflectores producen otros tipos de aberraciones ópticas , su diseño permite el uso de objetivos de gran diámetro . Casi todos los telescopios principales utilizados en la investigación astronómica son reflectores. Existen muchas variantes en uso, y algunas emplean elementos ópticos adicionales para mejorar la calidad de la imagen o colocarla en una posición mecánicamente ventajosa. Dado que los telescopios reflectores utilizan espejos , a veces se les denomina telescopios catópteros . [ 1 ]
Desde la época de Newton hasta el siglo XIX, el espejo en sí estaba hecho de metal , generalmente metal especular . Este tipo incluía los primeros diseños de Newton y el telescopio más grande del siglo XIX, el Leviatán de Parsonstown , con un espejo de metal de 1,8 m (6 pies ) de ancho. A principios del siglo XIX, un nuevo método que utilizaba un bloque de vidrio recubierto con una capa muy fina de plata comenzó a popularizarse. Los telescopios comunes dieron paso a los telescopios reflectores Crossley y Harvard, que ayudaron a establecer una mejor reputación para los telescopios reflectores, ya que los diseños de espejos de metal eran conocidos por sus inconvenientes. Principalmente , los espejos de metal solo reflejaban alrededor de dos tercios de la luz y el metal se empañaba . Después de múltiples pulidos y empañamientos, el espejo podía perder la precisión necesaria.
Los telescopios reflectores se hicieron extraordinariamente populares en astronomía, y muchos telescopios famosos, como el Telescopio Espacial Hubble , y modelos populares para aficionados utilizan este diseño. Además, el principio de los telescopios reflectores se aplicó a otras longitudes de onda electromagnéticas; por ejemplo, los telescopios de rayos X también utilizan este principio para la fabricación de ópticas formadoras de imágenes .
Historia
La idea de que los espejos curvos se comportan como lentes se remonta al menos al tratado de óptica de Alhazen del siglo XI, obras que se habían difundido ampliamente en traducciones latinas en la Europa de principios de la Edad Moderna . [ 3 ] Poco después de la invención del telescopio refractor , Galileo Galilei , Giovanni Francesco Sagredo y otros, impulsados por su conocimiento de los principios de los espejos curvos, discutieron la idea de construir un telescopio utilizando un espejo como objetivo formador de imagen. [ 4 ] Hubo informes de que el boloñés Cesare Caravaggi había construido uno alrededor de 1626 y el profesor italiano Niccolò Zucchi , en un trabajo posterior, escribió que había experimentado con un espejo cóncavo de bronce en 1616, pero dijo que no producía una imagen satisfactoria. [ 4 ] Las ventajas potenciales del uso de espejos parabólicos , principalmente la reducción de la aberración esférica sin aberración cromática , llevaron a muchos diseños propuestos para telescopios reflectores. Entre ellos se encontraba uno de James Gregory , publicado en 1663. En 1673, el científico experimental Robert Hooke logró construir este tipo de telescopio, que llegó a conocerse como el telescopio gregoriano . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Cinco años después de que Gregory diseñara su telescopio y cinco años antes de que Hooke construyera el primer telescopio gregoriano de este tipo, Isaac Newton construyó en 1668 su propio telescopio reflector , que se considera el primer telescopio reflector, ya que los diseños anteriores nunca se pusieron en práctica o terminaron en fracaso cuando se intentaron. [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ] El telescopio de Newton utilizaba un espejo primario de metal pulido esféricamente y un pequeño espejo diagonal en una configuración óptica que ha llegado a conocerse como el telescopio newtoniano .
A pesar de las ventajas teóricas del diseño reflector, la dificultad de construcción y el bajo rendimiento de los espejos de metal especular utilizados en ese momento hicieron que tardaran más de 100 años en popularizarse. Muchos de los avances en los telescopios reflectores incluyeron el perfeccionamiento de la fabricación de espejos parabólicos en el siglo XVIII, [ 10 ] espejos de vidrio recubiertos de plata en el siglo XIX (construidos por Léon Foucault en 1858), [ 11 ] recubrimientos de aluminio de larga duración en el siglo XX, [ 12 ] espejos segmentados para permitir diámetros mayores y óptica activa para compensar la deformación gravitacional. Una innovación de mediados del siglo XX fueron los telescopios catadióptricos como la cámara Schmidt , que utilizan tanto un espejo esférico como una lente (llamada placa correctora) como elementos ópticos primarios, utilizados principalmente para imágenes de campo amplio sin aberración esférica.
A finales del siglo XX se ha visto el desarrollo de la óptica adaptativa y la obtención de imágenes de alta resolución para superar los problemas de visibilidad , y los telescopios reflectores son omnipresentes en los telescopios espaciales y en muchos tipos de dispositivos de obtención de imágenes de naves espaciales .
Consideraciones técnicas
El espejo primario curvo es el elemento óptico básico del telescopio reflector que crea una imagen en el plano focal. La distancia desde el espejo hasta el plano focal se denomina distancia focal . En este plano se puede ubicar una película o un sensor digital para registrar la imagen, o bien se puede añadir un espejo secundario para modificar las características ópticas o redirigir la luz hacia la película, los sensores digitales o un ocular para la observación visual.
El espejo primario de la mayoría de los telescopios modernos está compuesto por un cilindro de vidrio macizo cuya superficie frontal ha sido pulida hasta obtener una forma esférica o parabólica . Sobre el espejo se deposita al vacío una fina capa de aluminio , formando así un espejo de primera superficie altamente reflectante .
Algunos telescopios utilizan espejos primarios fabricados de forma diferente. El vidrio fundido se hace girar para que su superficie adquiera forma paraboloide, y se mantiene en rotación mientras se enfría y solidifica. (Véase Horno giratorio ). La forma resultante del espejo se aproxima a la forma paraboloide deseada, que requiere un mínimo de pulido y rectificado para alcanzar la forma exacta necesaria. [ 13 ]
Errores ópticos
Los telescopios reflectores, al igual que cualquier otro sistema óptico, no producen imágenes "perfectas". La necesidad de obtener imágenes de objetos a distancias de hasta el infinito, observarlos en diferentes longitudes de onda de luz, junto con la necesidad de contar con algún método para ver la imagen que produce el espejo primario, implica que siempre existe algún tipo de compromiso en el diseño óptico de un telescopio reflector.
Debido a que el espejo primario enfoca la luz en un punto común frente a su propia superficie reflectante, casi todos los diseños de telescopios reflectores tienen un espejo secundario , un portapelículas o un detector cerca de ese punto focal, lo que obstruye parcialmente la luz e impide que llegue al espejo primario. Esto no solo reduce la cantidad de luz que recoge el sistema, sino que también provoca una pérdida de contraste en la imagen debido a los efectos de difracción de la obstrucción, así como a los picos de difracción causados por la mayoría de las estructuras de soporte secundarias. [ 14 ] [ 15 ]
El uso de espejos evita la aberración cromática , pero produce otros tipos de aberraciones . Un espejo esférico simple no puede enfocar la luz de un objeto distante en un punto común, ya que la reflexión de los rayos de luz que inciden cerca del borde del espejo no converge con la de los que se reflejan más cerca del centro, un defecto llamado aberración esférica . Para evitar este problema, la mayoría de los telescopios reflectores utilizan espejos parabólicos , una forma que puede enfocar toda la luz en un punto común. Los espejos parabólicos funcionan bien con objetos cercanos al centro de la imagen que producen (luz que viaja paralela al eje óptico del espejo ), pero hacia el borde de ese mismo campo de visión sufren aberraciones fuera del eje: [ 16 ] [ 17 ]
- Coma : una aberración en la que las fuentes puntuales (estrellas) en el centro de la imagen se enfocan en un punto, pero suelen aparecer como manchas radiales con forma de cometa que empeoran hacia los bordes de la imagen.
- Curvatura de campo : El plano de imagen óptimo suele ser curvo, lo que puede no corresponderse con la forma del detector y provocar un error de enfoque en todo el campo. En ocasiones, se corrige mediante una lente aplanadora de campo.
- Astigmatismo : variación azimutal del enfoque alrededor de la apertura que provoca que las imágenes de fuentes puntuales fuera del eje visual aparezcan elípticas. El astigmatismo no suele ser un problema en un campo de visión estrecho , pero en una imagen de campo amplio empeora rápidamente y varía cuadráticamente con el ángulo de campo.
- Distorsión : La distorsión no afecta la calidad de la imagen (nitidez), pero sí la forma de los objetos. En ocasiones, se corrige mediante el procesamiento de imágenes.
Existen diseños de telescopios reflectores que utilizan superficies de espejo modificadas (como el telescopio Ritchey-Chrétien ) o algún tipo de lente correctora (como los telescopios catadióptricos ) que corrigen algunas de estas aberraciones.
Uso en la investigación astronómica
Casi todos los grandes telescopios astronómicos de investigación son reflectores. Hay varias razones para ello:
- Los reflectores funcionan en un espectro de luz más amplio , ya que ciertas longitudes de onda se absorben al pasar a través de elementos de vidrio como los que se encuentran en un refractor o en un telescopio catadióptrico .
- En una lente, todo el volumen del material debe estar libre de imperfecciones e inhomogeneidades, mientras que en un espejo, solo una superficie debe estar perfectamente pulida.
- La luz de diferentes longitudes de onda viaja a velocidades distintas a través de un medio que no sea el vacío . Esto provoca aberración cromática . Para reducirla a niveles aceptables, generalmente se requiere una combinación de dos o tres lentes con aperturas diferentes (consulte acromático y apocromático para obtener más detalles). Por lo tanto, el costo de estos sistemas aumenta significativamente con el tamaño de la apertura. Una imagen obtenida a partir de un espejo no presenta aberración cromática, y el costo del espejo aumenta mucho menos con su tamaño.
- Existen problemas estructurales en la fabricación y manipulación de lentes de gran apertura. Dado que una lente solo puede mantenerse en su lugar por su borde, el centro de una lente grande se deformará debido a la gravedad , distorsionando la imagen que produce. El tamaño práctico máximo de una lente en un telescopio refractor es de aproximadamente 1 metro. [ 18 ] En cambio, un espejo puede sostenerse por toda la cara opuesta a su superficie reflectante, lo que permite diseños de telescopios reflectores que superan la deformación gravitacional. Los reflectores más grandes actualmente superan los 10 metros de diámetro.
Diseños de telescopios reflectores
gregoriano
El telescopio gregoriano , descrito por el astrónomo y matemático escocés James Gregory en su libro Optica Promota de 1663 , emplea un espejo secundario cóncavo que refleja la imagen a través de un orificio en el espejo primario. Esto produce una imagen derecha, útil para observaciones terrestres. Algunos pequeños telescopios terrestres todavía se construyen de esta manera. Existen varios telescopios modernos de gran tamaño que utilizan una configuración gregoriana, como el Telescopio de Tecnología Avanzada del Vaticano , los telescopios Magallanes , el Gran Telescopio Binocular y el Telescopio Gigante Magallanes .
newtoniano
El telescopio newtoniano fue el primer telescopio reflector exitoso, completado por Isaac Newton en 1668. Generalmente cuenta con un espejo primario paraboloide, pero para relaciones focales de aproximadamente f/10 o mayores, un espejo primario esférico puede ser suficiente para una alta resolución visual. Un espejo secundario plano refleja la luz hacia un plano focal situado en el lateral de la parte superior del tubo del telescopio. Es uno de los diseños más sencillos y económicos para un tamaño de espejo primario dado, y es popular entre los aficionados a la astronomía como proyecto de construcción casera.
El diseño Cassegrain y sus variaciones
El telescopio Cassegrain (a veces llamado "Cassegrain clásico") se publicó por primera vez en 1672 con un diseño atribuido a Laurent Cassegrain . Cuenta con un espejo primario parabólico y un espejo secundario hiperbólico que refleja la luz hacia abajo a través de un orificio en el primario. El efecto de plegado y divergencia del espejo secundario crea un telescopio con una gran distancia focal y un tubo corto.
Ritchey-Chrétien
El telescopio Ritchey-Chrétien , inventado por George Willis Ritchey y Henri Chrétien a principios de la década de 1910, es un reflector Cassegrain especializado que cuenta con dos espejos hiperbólicos (en lugar de un espejo primario parabólico). Está libre de coma y aberración esférica en un plano focal casi plano si se calculan correctamente las curvaturas del primario y el secundario , lo que lo hace idóneo para observaciones de campo amplio y fotográficas. [ 19 ] Casi todos los telescopios reflectores profesionales del mundo son del diseño Ritchey-Chrétien.
Anastigmatismo de tres espejos
La inclusión de un tercer espejo curvo permite corregir la distorsión restante, el astigmatismo, del diseño Ritchey-Chrétien. Esto posibilita campos de visión mucho más amplios.
Dall–Kirkham
El diseño del telescopio Cassegrain Dall-Kirkham fue creado por Horace Dall en 1928 y recibió su nombre en un artículo publicado en Scientific American en 1930, tras una conversación entre el astrónomo aficionado Allan Kirkham y Albert G. Ingalls, editor de la revista en aquel entonces. Utiliza un espejo primario elíptico cóncavo y un espejo secundario esférico convexo . Si bien este sistema es más fácil de pulir que un Cassegrain clásico o un sistema Ritchey-Chrétien, no corrige la coma fuera del eje. La curvatura de campo es en realidad menor que la de un Cassegrain clásico. Debido a que esto es menos perceptible a relaciones focales largas , los Dall-Kirkham rara vez superan una relación focal de f/15.
El diseño Dall-Kirkham modificado también incluye un pequeño grupo de lentes para proporcionar corrección de imagen fuera del eje.
Diseños fuera del eje
Existen varios diseños que intentan evitar obstruir la luz incidente eliminando el espejo secundario o desplazando cualquier elemento secundario fuera del eje óptico del espejo primario , comúnmente denominados sistemas ópticos fuera de eje .
Herscheliano
El reflector herscheliano recibe su nombre de William Herschel , quien utilizó este diseño para construir telescopios muy grandes, incluido el telescopio de 40 pies en 1789. En el reflector herscheliano, el espejo primario está inclinado para que la cabeza del observador no bloquee la luz incidente. Si bien esto introduce aberraciones geométricas, Herschel empleó este diseño para evitar el uso de un espejo secundario newtoniano, ya que los espejos de metal especular de aquella época se empañaban rápidamente y solo podían alcanzar un 60 % de reflectividad. [ 20 ]
Schiefspiegler
Una variante del Cassegrain, el telescopio Schiefspiegler ("reflector oblicuo") utiliza espejos inclinados para evitar que el espejo secundario proyecte una sombra sobre el primario. Sin embargo, si bien elimina los patrones de difracción, esto conlleva un aumento de la coma y el astigmatismo. Estos defectos se vuelven manejables con grandes relaciones focales; la mayoría de los Schiefspiegler utilizan f/15 o más, lo que tiende a restringir las observaciones útiles a objetos que caben en un campo de visión moderado. Un telescopio de 6" (150 mm) f/15 ofrece un campo de visión máximo de 0,75 grados utilizando oculares de 1,25". Son comunes varias variaciones, con diferentes números de espejos de distintos tipos. El estilo Kutter (llamado así por su inventor, Anton Kutter ) utiliza un único espejo primario cóncavo, un espejo secundario convexo y una lente plano-convexa entre el espejo secundario y el plano focal, cuando es necesario (este es el caso del Schiefspiegler catadióptrico ). Una variante del espejo Schiefspiegler múltiple utiliza un espejo primario cóncavo, uno secundario convexo y uno terciario parabólico. Un aspecto interesante de algunos espejos Schiefspiegler es que uno de los espejos puede participar en la trayectoria de la luz dos veces: cada trayectoria refleja la luz a lo largo de un recorrido meridional diferente.
Stevick-Paul
Los telescopios Stevick-Paul [ 21 ] son versiones fuera del eje de los sistemas de tres espejos de Paul [ 22 ] con un espejo diagonal plano adicional. Un espejo secundario convexo se coloca justo al lado de la luz que entra en el telescopio y se posiciona afocalmente para enviar luz paralela al espejo terciario. El espejo terciario cóncavo se coloca exactamente al doble de la distancia lateral del haz incidente que el espejo secundario convexo, y su propio radio de curvatura se encuentra alejado del secundario. Debido a que el espejo terciario recibe luz paralela del secundario, forma una imagen en su foco. El plano focal se encuentra dentro del sistema de espejos, pero es accesible al ojo humano gracias a la inclusión de un espejo diagonal plano. La configuración Stevick-Paul da como resultado que todas las aberraciones ópticas sumen cero hasta el tercer orden, excepto la superficie de Petzval, que está ligeramente curvada.
Yolo
El Yolo fue desarrollado por Arthur S. Leonard a mediados de la década de 1960. [ 23 ] Al igual que el Schiefspiegler, es un telescopio reflector inclinado y sin obstrucciones. El Yolo original consta de un espejo primario y uno secundario cóncavos, con la misma curvatura y la misma inclinación respecto al eje principal. La mayoría de los Yolo utilizan reflectores toroidales . El diseño del Yolo elimina la coma, pero deja un astigmatismo significativo, que se reduce deformando el espejo secundario mediante algún tipo de arnés de deformación o, alternativamente, puliendo una figura toroidal en el secundario. Al igual que con los Schiefspiegler, se han explorado muchas variaciones del Yolo. La cantidad necesaria de forma toroidal puede transferirse total o parcialmente al espejo primario. En conjuntos ópticos de grandes relaciones focales, tanto el espejo primario como el secundario pueden dejarse esféricos y se añade una lente correctora de anteojos entre el espejo secundario y el plano focal ( Yolo catadióptrico ). La adición de un espejo terciario convexo de largo foco conduce a la configuración Solano de Leonard . El telescopio Solano no contiene superficies tóricas.
Telescopios de espejo líquido
Un diseño de telescopio utiliza un espejo giratorio compuesto por un metal líquido en una bandeja que gira a velocidad constante. A medida que la bandeja gira, el líquido forma una superficie paraboloide de tamaño prácticamente ilimitado. Esto permite fabricar espejos de telescopio muy grandes (de más de 6 metros), pero su uso se limita a telescopios cenitales .
Planos focales
Enfoque principal
En un diseño de foco primario no se utilizan ópticas secundarias; la imagen se capta en el punto focal del espejo primario . En el punto focal se encuentra algún tipo de estructura para sostener una placa de película o un detector electrónico. Antiguamente, en telescopios muy grandes, un observador se sentaba dentro del telescopio en una "jaula de observación" para ver directamente la imagen u operar una cámara. [ 24 ] Hoy en día, las cámaras CCD permiten el control remoto del telescopio desde casi cualquier lugar del mundo. El espacio disponible en el foco primario está severamente limitado por la necesidad de evitar obstruir la luz incidente. [ 25 ]
Los radiotelescopios suelen tener un diseño de foco primario. El espejo se sustituye por una superficie metálica que refleja las ondas de radio , y el observador es una antena .
Enfoque Cassgrain
En los telescopios construidos según el diseño Cassegrain u otros diseños similares, la imagen se forma detrás del espejo primario, en el punto focal del espejo secundario . Un observador mira a través de la parte posterior del telescopio, o bien se monta una cámara u otro instrumento en la parte posterior. El foco Cassegrain se utiliza comúnmente en telescopios de aficionados o telescopios de investigación pequeños. Sin embargo, en telescopios grandes con instrumentos de tamaño similar, un instrumento en el foco Cassegrain debe moverse con el telescopio al girar; esto impone requisitos adicionales a la resistencia de la estructura de soporte del instrumento y puede limitar el movimiento del telescopio para evitar colisiones con obstáculos como paredes o equipos dentro del observatorio.
Enfoque en Nasmyth y coudé
Nasmyth
El diseño Nasmyth es similar al Cassegrain, excepto que la luz no se dirige a través de un orificio en el espejo primario; en su lugar, un tercer espejo refleja la luz hacia un lado del telescopio para permitir el montaje de instrumentos pesados. Este es un diseño muy común en grandes telescopios de investigación. [ 26 ]
Coudé
Agregar óptica adicional a un telescopio de estilo Nasmyth para dirigir la luz (generalmente a través del eje de declinación ) a un punto de enfoque fijo que no se mueve al reorientar el telescopio da como resultado un enfoque coudé (del francés, que significa codo). [ 27 ] El enfoque coudé proporciona un campo de visión más estrecho que un enfoque Nasmyth [ 27 ] y se utiliza con instrumentos muy pesados que no necesitan un campo de visión amplio. Una de estas aplicaciones son los espectrógrafos de alta resolución que tienen grandes espejos colimadores (idealmente con el mismo diámetro que el espejo primario del telescopio) y distancias focales muy largas. Dichos instrumentos no podían soportar ser movidos, y agregar espejos a la trayectoria de la luz para formar un tren coudé , desviando la luz a una posición fija para un instrumento de este tipo alojado en o debajo del piso de observación (y generalmente construido como una parte integral inmóvil del edificio del observatorio) era la única opción. El telescopio Hale de 60 pulgadas (1,5 m), el telescopio Hooker , el telescopio Hale de 200 pulgadas , el telescopio Shane y el telescopio Harlan J. Smith se construyeron con instrumentación de foco coudé. El desarrollo de espectrómetros echelle permitió la espectroscopia de alta resolución con un instrumento mucho más compacto, que en ocasiones puede montarse con éxito en el foco Cassegrain. Desde que en la década de 1980 se desarrollaron monturas altazimutal para telescopios, económicas y suficientemente estables, controladas por ordenador, el diseño Nasmyth ha sustituido generalmente al foco coudé en los grandes telescopios.
Espectrógrafos alimentados por fibra óptica
Para instrumentos que requieren una estabilidad muy alta, o que son muy grandes y voluminosos, es conveniente montarlos sobre una estructura rígida, en lugar de moverlos con el telescopio. Si bien la transmisión de todo el campo de visión requeriría un foco coudé estándar, la espectroscopia generalmente implica la medición de solo unos pocos objetos discretos, como estrellas o galaxias. Por lo tanto, es factible recolectar la luz de estos objetos con fibras ópticas en el telescopio, colocando el instrumento a una distancia arbitraria del mismo. Ejemplos de espectrógrafos alimentados por fibra incluyen los espectrógrafos para la búsqueda de planetas HARPS [ 28 ] o ESPRESSO [ 29 ] .
Además, la flexibilidad de las fibras ópticas permite recolectar luz de cualquier plano focal; por ejemplo, el espectrógrafo HARPS utiliza el foco Cassegrain del telescopio ESO de 3,6 m , [ 28 ] mientras que el espectrógrafo de foco primario está conectado al foco primario del telescopio Subaru . [ 30 ]
Véase también
Referencias
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Enlaces externos
- ¿Quién fue James Gregory? Telescopios reflectores, Explore, Museos Nacionales de Escocia. Archivado el 17 de enero de 2017 en Wayback Machine.
- telescopios ópticos
- Tipos de telescopios
- Introducciones de la década de 1660
- Comienzos de 1668
- 1668 en ciencia
- Inventos del siglo XVII
