Un telescopio è un sistema ottico che ha il compito di raccogliere più luce rispetto a quanta ne possa raccogliere l'occhio umano e, fondamentalmente, è costituito da una parte ottica (gli specchi o le lenti) e da una parte meccanica (la montatura). Le ottiche hanno il compito di raccogliere la luce proveniente da un oggetto distante e di formare un'immagine, mentre la montatura ha il compito di mantenere le ottiche allineate e di permettere il puntamento delle ottiche in una zona qualsiasi del cielo: più grande è il diametro dell'obiettivo del telescopio e più luce si riesce a raccogliere (e quindi più oggetti deboli si riescono a vedere).
LE OTTICHE
Un telescopio può avere due diversi tipi di ottiche, gli specchi e le lenti: se utilizza come obiettivo delle lenti, allora si ha a che fare con un telescopio rifrattore, mentre se utilizza come obiettivo degli specchi, allora si ha a che fare con un telescopio riflettore.
I rifrattori
I telescopi rifrattori utilizzano degli elementi ottici rifrangenti (le lenti) che hanno il compito di generare l'immagine ed il principio di funzionamento è abbastanza semplice: l'obiettivo forma un'immagine reale (rimpicciolita e capovolta), che è ingrandita tramite un oculare che ne consente un esame confortevole all'occhio (figura 2).
Storicamente i rifrattori sono stati i primi telescopi ad essere costruiti, ed hanno avuto il loro periodo d'oro durante il secolo scorso quando furono costruiti obiettivi con diametro fino al metro: il 101 cm dell'osservatorio di Yerkes (Williams Bay, USA) entrato in funzione nel 1897; il 91.6 cm dell'osservatorio Lick (Monte Hamilton, USA) operativo dal 1888; l'85 cm dell'osservatorio Meudon (Francia) in funzione dal 1889. Il vantaggio principale di un rifrattore risiede nel fatto che si ha un obiettivo privo di ostruzione centrale (e quindi una più elevata nitidezza di immagine rispetto ad un riflettore) ed un tubo chiuso che rende lo strumento insensibile alla turbolenza dell'aria dentro l'osservatorio.
Gli svantaggi principali risiedono nel fatto che gli obiettivi a lenti risentono delle aberrazioni cromatiche ed hanno dei costi più elevati rispetto ai riflettori: i rifrattori sono strumenti a lunga focale (per ovviare all'aberrazione cromatica) e questo si traduce in una notevole lunghezza del tubo che comporta un sovradimensionamento della montatura; inoltre per costruire una lente si devono lavorare due superfici ottiche (i 2 lati della lente) e questo accresce ulteriormente i costi, visto che l'obiettivo di un rifrattore è formato da due o tre lenti accoppiate.
I riflettori
I telescopi riflettori utilizzano degli elementi ottici riflettenti che hanno il compito di generare l'immagine: lo specchio principale (il primario) è uno specchio concavo o sferico, o parabolico, o iperbolico che riflette la luce proveniente da una sorgente posta all'infinito verso uno specchio secondario che ha il compito di deviare l'immagine verso l'osservatore. A seconda di come sono fatti gli specchi primario (S1) e secondario (S2) e da dove si forma l'immagine, si hanno diverse configurazioni di telescopi (figura 3):
Se l'immagine viene formata su un lato del tubo del telescopio attraverso uno specchio secondario piano (inclinato di 45°), allora si ha un telescopio Newton;
Se, invece, attraverso l'utilizzo di uno specchio secondario iperbolico l'immagine viene formata dietro lo specchio primario (che deve essere forato), si ottiene un telescopio Cassegrain;
Se si inserisce uno specchio piano (S3) tra il primario ed il secondario di un telescopio Cassegrain in modo da deviare l'immagine lateralmente facendola uscire attraverso l'asse di altezza, allora si ha un telescopio Nasmyth. Questo tipo di telescopio ha il vantaggio di permettere all'osservatore di rimanere sempre nella stessa posizione qualsiasi sia la zona di cielo puntata dallo strumento (ma è valido solo per montature altazimutali);
Se introduciamo un ulteriore specchio (S4) sul fuoco Nasmyth in modo da allungare la focale e quindi portare la luce lontana dal telescopio, otteniamo una configurazione Coudé, che ha il vantaggio di portare la luce a strumenti di grosse dimensioni che non possono essere montati sul telescopio. Sebbene sia Galileo che Newton avessero ipotizzato l'utilizzo di specchi per costruire strumenti astronomici, l'impossibilità di realizzare specchi sufficientemente riflettenti ritardò lo sviluppo e l'impiego dei telescopi riflettori.
Prima dello sviluppo dell'argentatura e dell’alluminatura, per creare degli specchi riflettenti si utilizzava una lega di rame e stagno (lo speculum, composto da 68% di rame e 32% di stagno) con cui si costruirono dei telescopi riflettori anche di notevoli dimensioni (per esempio, il 122 cm costruito da William Herschel nel 1789), ma che ad ogni riflessione perdevano il 40% della luce incidente, rendendo preferibile l'impiego dei rifrattori. Nel 1856 sia Karl August Von Steinheil che Léon Foucault applicarono indipendentemente l'argentatura ai vetri per specchi astronomici e questo permise di costruire obiettivi per telescopi di notevoli dimensioni a prezzi contenuti. Ormai i telescopi riflettori hanno soppiantato completamente i telescopi rifrattori e negli ultimi novanta anni sono stati costruiti telescopi riflettori sempre più grandi: a partire dal telescopio Hooke di Monte Wilson (USA) da 2.5 metri di diametro (in funzione dal 1907), si è passati per telescopio Hale da 5 metri di Monte Palomar (USA, operativo dal 1948) e per il telescopio sovietico da 6 metri BTA (operativo dal 1976), fino ad arrivare ai giganteschi telescopi di questi ultimi anni, quali il Keck Telescope (specchio segmentato da 10 metri, costruito sulla vetta del Mauna Kea (Hawaii, USA) ed entrato in funzione nel 1992), il Subaru Telescope (specchio monolitico da 8 metri, in costruzione sul Mauna Kea) ed il VLT (quattro telescopi da 8 metri equivalenti ad un telescopio da 16 metri, in costruzione sul Cerro Parnal (Deserto dell'Atacama, Cile)).
Il vantaggio principale dei telescopi riflettori risiede nella loro economicità rispetto ai telescopi rifrattori: uno specchio si deve lavorare solo su una superficie (una lente, invece deve essere lavorata su due superfici), uno specchio può essere costruito facilmente con una corta focale in modo da contenere le dimensioni del tubo e della montatura, uno specchio è privo di aberrazione cromatica (presente invece nei rifrattori). Gli svantaggi principali risiedono nel fatto che la presenza dello specchio secondario (e dei suoi sostegni) creano un'ostruzione, la quale fa diminuire il contrasto e la nitidezza dell'immagine, e che il tubo che regge le ottiche non è chiuso, per cui è sensibile alla turbolenza locale che può degradare l'immagine.
LA MONTATURA
In ogni telescopio la parte ottica è quella che decide le possibilità osservative dello strumento. Per telescopi ad elevate prestazioni il problema della rigidità e della stabilità della montatura diventa un problema di primaria importanza, perché si vuole sfruttare al massimo le prestazioni ottiche utilizzando sistemi di ottiche attive ed adattive, le quali risulterebbero inefficaci se la montatura dovesse flettersi sotto l'azione del proprio peso o dovesse avere delle vibrazioni. La montatura, quindi, ha il compito di mantenere le ottiche allineate e di puntarle in qualsiasi zona del cielo nella maniera più rigida e stabile possibile. Le montature dei telescopi di dividono in due grandi categorie: le montature equatoriali e le montature altazimutali.
La montatura equatoriale
La montatura equatoriale (figura 5) è quella più tradizionale ed ha equipaggiato tutti i grandi telescopi (sia professionali, sia amatoriali) costruiti fino a circa vent'anni fa. E' composta da due assi tra loro perpendicolari che si chiamano asse di declinazione ed asse polare (od orario): in questo tipo di montatura l'asse polare è mantenuto parallelo all'asse di rotazione terrestre, cosicché per inseguire un oggetto in cielo è possibile usare un unico movimento di rotazione con velocità angolare costante (movimento di ascensione retta).
Per mantenere l'asse del telescopio parallelo all'asse terrestre è necessario inclinare l'asse polare del telescopio di un angolo pari alla latitudine del sito di osservazione: se per telescopi di piccole dimensioni ciò non crea particolari problemi di costruzione di montature adeguate, per telescopi di grandi dimensioni si ha il problema di dimensionare la struttura in modo che non si fletta sotto l'azione del proprio peso e che rimanga stabile, per cui la struttura deve essere notevolmente sovradimensionata con un inevitabile aumento dei costi.
La montatura altazimutale
La montatura altazimutale (figura 6) è sempre composta da due assi tra loro perpendicolari, uno verticale (asse di azimut) ed uno orizzontale (asse di altezza), che permettono al telescopio il puntamento di una qualsiasi zona di cielo. In questo caso per inseguire un oggetto nel cielo sono necessari due movimenti simultanei, che però non sono più rotazioni a velocità costante, ma hanno delle velocità che seguono delle leggi non lineari, per cui gli assi del telescopio devono essere pilotati da calcolatori che generano con estrema precisione tali leggi di movimento.
La montatura altazimutale ha il grande vantaggio di poter essere costruita in maniera più leggera rispetto alla montatura equatoriale (dato che non è più necessario costruire una struttura adeguata a reggere il telescopio inclinato di un angolo pari alla latitudine) ed, inoltre, il risparmio per le complessità meccaniche ottenuto passando da una montatura equatoriale ad una altazimutale è maggiore del costo dei computer che controllano i movimenti per il corretto inseguimento. Al giorno d'oggi per i telescopi di grandi dimensioni (ovvero strumenti che hanno un obiettivo con un diametro superiore ai 6 metri) si utilizza esclusivamente la montatura altazimutale, perché più economica e meno problematica tecnologicamente rispetto ad una montatura equatoriale che debba reggere le stesse ottiche.
Si deve notare che l'utilizzo di una montatura altazimutale necessita dell'impiego di derotatori di campo: durante l'inseguimento di un oggetto del cielo il campo inquadrato ruota con una velocità dipendente dall'angolo di altezza, quindi il telescopio non deve essere solamente guidato su entrambi gli assi in maniera simultanea, ma deve anche ruotare lo strumento scientifico posizionato sul fuoco per ottenere una immagine che non sia mossa (questo problema non si ha con le montature equatoriali).
I telescopi rifrattori utilizzano degli elementi ottici rifrangenti (le lenti) che hanno il compito di generare l'immagine ed il principio di funzionamento è abbastanza semplice: l'obiettivo forma un'immagine reale (rimpicciolita e capovolta), che è ingrandita tramite un oculare che ne consente un esame confortevole all'occhio (figura 2).
La montatura equatoriale (figura 5) è quella più tradizionale ed ha equipaggiato tutti i grandi telescopi (sia professionali, sia amatoriali) costruiti fino a circa vent'anni fa. E' composta da due assi tra loro perpendicolari che si chiamano asse di declinazione ed asse polare (od orario): in questo tipo di montatura l'asse polare è mantenuto parallelo all'asse di rotazione terrestre, cosicché per inseguire un oggetto in cielo è possibile usare un unico movimento di rotazione con velocità angolare costante (movimento di ascensione retta).
La montatura altazimutale (figura 6) è sempre composta da due assi tra loro perpendicolari, uno verticale (asse di azimut) ed uno orizzontale (asse di altezza), che permettono al telescopio il puntamento di una qualsiasi zona di cielo. In questo caso per inseguire un oggetto nel cielo sono necessari due movimenti simultanei, che però non sono più rotazioni a velocità costante, ma hanno delle velocità che seguono delle leggi non lineari, per cui gli assi del telescopio devono essere pilotati da calcolatori che generano con estrema precisione tali leggi di movimento.
La montatura altazimutale ha il grande vantaggio di poter essere costruita in maniera più leggera rispetto alla montatura equatoriale (dato che non è più necessario costruire una struttura adeguata a reggere il telescopio inclinato di un angolo pari alla latitudine) ed, inoltre, il risparmio per le complessità meccaniche ottenuto passando da una montatura equatoriale ad una altazimutale è maggiore del costo dei computer che controllano i movimenti per il corretto inseguimento. Al giorno d'oggi per i telescopi di grandi dimensioni (ovvero strumenti che hanno un obiettivo con un diametro superiore ai 6 metri) si utilizza esclusivamente la montatura altazimutale, perché più economica e meno problematica tecnologicamente rispetto ad una montatura equatoriale che debba reggere le stesse ottiche.
Si deve notare che l'utilizzo di una montatura altazimutale necessita dell'impiego di derotatori di campo: durante l'inseguimento di un oggetto del cielo il campo inquadrato ruota con una velocità dipendente dall'angolo di altezza, quindi il telescopio non deve essere solamente guidato su entrambi gli assi in maniera simultanea, ma deve anche ruotare lo strumento scientifico posizionato sul fuoco per ottenere una immagine che non sia mossa (questo problema non si ha con le montature equatoriali).
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