Tema 3. Instrumentación Astronómica

Ventanas de observación terrestre

• La atmósfera de la tierra evita que gran parte de la radiación electromagnética llegue a la superficie.

• Una de las principales fuentes de opacidad atmosférica es el agua, cuya presencia es muy variable espacial y temporalmente.

• Otras especies importantes son el N2, O2, CO2, etcétera.

• Los observatorios astronómicos buscan ubicaciones con condiciones óptimas de observación.

Monturas de telescopio

Altazimuthal Ecuatorial

• Las monturas altazimuthales sólo permiten movimientos en altura y azimuth.

• Las monturas ecuatoriales permiten movimientos en ascensión recta y declinación (y usualmente también en altura y azimuth).

• El seguimiento de un astro es mucho más sencillo con una montura ecuatorial (imprescindible para astrofotografía).

• El equilibrado es más complicado con montura ecuatorial.

• Los telescopios con montura ecuatorial deben ser puestos en estación antes de su uso.

• Otros factores a tener en cuenta son el peso y estabilidad de las monturas.

• La montura es una pieza fundamental del telescopio.

Monturas altacimutales

• Similar a la de un trípode fotográfico.

• Típica en telescopio de pequeño diámetro.

• Normalmente incluye mandos de ajuste fino.

• Difícil de motorizar.

• Muy adecuada para telescopios reflectores de tamaño medio.

• Movimiento manual.

• Fácil de fabricar, compacta y portable.

• Contrapesado innecesario.

Monturas ecuatoriales

• Requiere un importante contrapesado.

• Presenta varios problemas de estabilidad.

• Es muy fácilmente motorizable, alcanzando gran precisión.

• Es el tipo de montura ecuatorial más frecuente.

• También existe en versión altacimutal.

• El contrapesado es más sencillo.

• La construcción es más complicada y debe ser precisa.

• Habitual en equipos catadióptricos pesados.

Telescopios ópticos e infrarrojos

• Básicamente existen dos tipos de telescopios: refractores y reflectores.

• En los telescopios refractores el principal elemento óptico es una lente.

• En los reflectores se trata de un espejo.

• Existe una categoría de telescopios mixtos que reciben el nombre de telescopios catadióptricos.

D

fob

Espejo secundario

Espejo primario

Ocular

Características de los telescopios

• Colectar luz: deben ser capaces de reunir la mayor cantidad posible de energía, esto depende del diámetro del objetivo (espejo primario o lente).

• La cantidad de energía en el foco es proporcional a la relación focal, el cociente entre el diámetro del objetivo y su focal. Un telescopio f/4 se dice que es más luminoso que un f/20. El número F se define como

F = (focal objetivo) / (diámetro).

• El campo visual depende también del diámetro y del objetivo.

• La capacidad amplificadora o aumentos, depende del cociente entre la focal del objetivo y la del ocular (X=(focal objetivo)/(focal ocular)). Sin embargo, la amplificación máxima está limitada por la difracción y la turbulencia atmosférica (seeing). Aproximadamente, el máximo de amplificación en el visible (en aumentos) es de unas 2.3 veces la apertura del objetivo en milímetros.

• La precisión de un telescopio para medir posiciones depende de todo lo anterior (focales del objetivo, especialmente) pero también, y muy fuertemente, de la montura empleada.

El problema de la difracción

• Observando a través de una apertura circular la difracción nos produce una serie de círculos en lugar de una imagen puntual.

• El disco central (disco de Airy) contiene el 87% de la energía pero tiene un determinado radio.

• Sólo podremos resolver detalles situados a una determinada distancia:

sinθ = 1.22 λ/D

• El límite real lo impone la atmósfera (seeing).

Telescopios refractores

• El principal problema de los telescopios refractores es la lente del objetivo.

• Las lentes son caras, pesadas y complicadas de producir.

• Su diámetro máximo es aproximadamente un metro.

• Precisan de tratamientos apocromáticos para evitar aberraciones cromáticas.

• Aún se utilizan para algunos propósitos, especialmente para estudios que precisan gran calidad óptica con poca luminosidad (astrometría, estudios de planetas, …)

Telescopios reflectores

• También llamados a veces telescopios newtonianos.

• Los espejos son más baratos, ligeros y fáciles de producir que las lentes.

• Son los más extendidos a nivel profesional y amateur.

• Permiten diversas configuraciones (newtoniano, cassegrain, ritchey-cretien, herscheliano, …)

• Se pueden usar diversos planos focales para colocar distintos instrumentos ópticos a partir de la misma instalación óptica.

Cassegrain

Gregoriano

Telescopios catadióptricos

• En términos generales son telescopios que combinan tanto lentes como espejos.

• Suelen tener tamaños compactos, menores que la propia focal.

• El modelo más extendido entre los aficionados es el Schmidt-Cassegrain.

• Existen muchas otras configuraciones, como la Maksutov-Cassegrain.

Telescopios multiespejo

• Los telescopios han ido creciendo en tamaño a lo largo del tiempo.

• Actualmente existen varios de 10m de diámetro (Keck, Grantecan) y proyectos en activo de 40m (E-ELT) y 100m (OWL).

• Esto propició el desarrollo de la tecnología multiespejo.

• Varias secciones se coordinan de forma que se puedan compensar las flexiones y deformaciones.

• Todo esto a su vez permitió el desarrollo de la óptica adaptativa para compensar la turbulencia atmosférica y mejorar las observaciones.

• También existen espejos monolíticos flexibles.

Óptica adaptativa

• La óptica adaptativa consiste en obtener información sobre el estado de la turbulencia atmosférica para posteriormente poder corregir la información recogida.

• La óptica activa es similar pero deforma en tiempo real el espejo para compensar la turbulencia.

Cúpulas

• Los telescopios se suelen ubicar en lugares altos y con baja humedad para evitar en la medida de lo posibles las perturbaciones atmosféricas.

• Los objetivos de las cúpulas son varios:

• Protegen al telescopio del viento y las inclemencias atmosféricas.

• Mantienen la temperatura estable.

• Evitan la luz difusa.

Técnicas de observación astronómica: imagen

• Hasta tiempos relativamente recientes se han venido empleando técnicas fotográficas para la observación astronómica.

• Sin embargo, presenta diversos inconvenientes, principalmente la falta de linealidad en la respuesta del detector.

• Se han utilizado además otros sistemas de imagen, como el vidicon.

• El desarrollo de la tecnología de semiconductores permitió la aparición de las cámaras CCD.

• Las cámaras CCD han supuesto una revolución astronómica a todos los niveles.

• La popularización de las webcam también ha contribuido a la astronomía amateur.

• Normalmente las observaciones se realizan utilizando filtros que aislan unas longitudes de onda para estudiar diferentes fenómenos.

• Los filtros pueden ser anchos (UBVIR de Johnson) o casi monocromáticos.

• Estos sistemas están disponibles incluso a nivel aficionado.

Procesado webcam

Lucky Imaging

Técnicas de observación astronómica: espectroscopía

• Esta técnica se basa en la descomposición de la radiación incidente en la contribución de las diferentes longitudes de onda.

• La espectroscopía ha permitido determinar la composición de muchos cuerpos del Universo, así como la velocidad de expansión del mismo, entre otros aspectos.

Espectroscopía en Astronomía

• Cada imagen astronómica en luz “blanca” contiene mucha información codificada en la composición de esa luz.

• El estudio y comparación de los espectros nos permite establecer muchos parámetros físicos que caracterizan los cuerpos que estamos estudiando.

• El trabajo en laboratorio en las condiciones más variadas de presión y temperatura con gran variedad de compuestos es fundamental para el desarrollo de las técnicas espectroscópicas en astrofísica.

Espectroscopía amateur

• Inicialmente las técnicas espectroscópicas eran demasiado complicadas o caras para poder ser utilizadas por los astrónomos aficionados.

• La gran sensibilidad de las cámaras CCD revolucionó también el desarrollo de la espectroscopía amateur.

• Actualmente existe equipamiento en el mercado accesible a los aficionados y con una enorme funcionalidad.

Radioastronomía

• Las ondas de radio permiten un estudio astronómico completamente diferente en regiones del espectro con longitudes de onda del orden de un millón de veces más largas.

• En este caso se utilizan superficies metálicas (antenas), no espejos o lentes.

• En ondas milimétricas pueden utilizarse telescopios de 30-40m y en ondas superiores a las centimétricas podemos llegar a los 300m de Arecibo.

• Las antenas funcionan esencialmente como telescopios reflectores, reflejando las ondas de radio sobre el foco de la antena.

• Los receptores y analizadores de las ondas pueden ser enormemente complicados.

• Las ondas de radio permiten aplicar técnicas interferométricas para acoplar diversos telescopios y mejorar las observaciones.

• También se utiliza la síntesis de apertura para combinar la señal recibida por radiotelescopios separados por miles de kilómetros y así conseguir una superficie colectora mucho más grande.

• La radioastronomía abrió una nueva ventana al universo que permitió conocer aspectos de la astrofísica que habían pasado desapercibidos.

Astronomía espacial

• Para evitar las absorciones de la atmósfera y la turbulencia la única solución es observar desde el espacio.

• En el visible esto mejora la calidad de observación pero en otras longitudes de onda es la única forma posible de obtener datos. (HST)

• En el infrarrojo submilimétrico se utilizan bolómetros (10 µm – 1mm) sensibles a la temperatura enfriados a 4 K. Son telescopios pequeños (D ~ 40 – 60 cm).

• IRAS, ISO, etc…

• Los detectores ultravioleta son prácticamente telescopios clásicos de pequeño diámetro con detectores CCD (IUE).

• Los detectores de rayos X (0.1 – 10 nm) son telescopios metálicos con forma de hiperboloide para que la radiación llegue rasante. Los detectores son contadores de rayos X.

• La radiación γ se observa con “detectores de centelleo”. Es la radiación más energética.

Astronomía de partículas

• Los rayos cósmicos están formados por electrones, protones y núcleos de He.

• Pueden detectarse directamente desde fuera de la atmósfera.

• En Tierra se puede observar la radiación Cerenkov que desencadenan.

• Los neutrinos son partículas de muy baja masa y débilmente interactuantes.

• Su detección requiere normalmente enormes depósitos de agua pesada enterrados en antiguas minas.

• El Superkamiokande contaba con 50000 Tm de agua pesada y 11000 detectores de luz en una estructura de 35 x 35 x 40 m.

• IceCube es un detector de neutrinos ubicado en la Antártida.

• IceCube está enterrado bajo 2.000 metros de hielo “azul”, o extremadamente puro.

• La interacción de los neutrinos con las partículas de hielo genera muones que irradian luz azul que es la que detecta el experimento.

• IceCube comenzó a funcionar en diciembre de 2010 y está costeada en su mayor parte por la NSF y también por Alemania, Suecia y Bélgica.