INSTRUMENTE ASTRONOMICE
1. CLASIFICAREA INSTRUMENTELOR DE OBSERVAŢIE
Până la construcţia lunetelor şi telescoapelor din ce în ce mai perfecţionate, dezvoltarea astronomiei s-a bazat doar pe observaţiile cu ochiul liber efectuate asupra corpurilor cereşti.
În principiu, orice lunetă astronomică sau telescop se compune din două părţi principale centrate pe acelaşi ax optic: obiectivul, format dintr-o lentilă sau un sistem de lentile (sau o oglindă în cazul telescopului), care are rolul de a colecta lumina de la corpul ceresc spre care se orientează şi dă astfel imaginea reală în planul său focal. Imaginea astfel obţinută este mărită cu ajutorul unei lupe, simplă sau compusă, care poartă numele de ocular. Obiectivul şi ocularul sunt montate în diferite feluri pe tubul lunetei sau al telescopului.
Obiectivul este piesa principală al oricărui instrument astronomic. Diametrul său poate varia de la câţiva centimetri la câţiva decimetri (în cazul telescoapelor la câţiva metri) sau mai mult, iar distanţa focală a obiectivului (distanţa din centrul obiectivului până unde se formează imaginea clară a obiectului observat) este în mod obişnuit cuprinsă între 10 şi 20 de ori diametrul său. Obiectivul este piesa care determină calitatea şi valoare oricărui instrument astronomic.
După natura obiectivului, putem împărţi instrumentele astronomice în două categorii: telescoape sau reflectoare şi lunete sau refractoare.
Din punctul de vedere al aplicaţiilor practice, instrumentele de observaţie pot fi împărţite în: instrumente de măsură; instrumente de observaţie propriu-zise; instrumente ajutătoare şi speciale.
Instrumentele de măsură sunt in general mici, uşoare şi fine. La cele de măsurat unghiuri, partea principală o constituie cercurile divizate, iar partea secundară este luneta care are mai mult doar rolul de vizare. La rândul lor, aceste instrumente se pot împărţi în două tipuri :
– stabile, cum sunt luneta meridiană, cercul meridian, pendula astronomică etc.;
– portative, ca teodolitul, sextantul, cronometrul, coronograful.
Instrumentele de observaţie destinate în special studiului fizic al aştrilor sunt, de obicei, mari, grele şi stabile, având monturi care permit urmărirea mişcării diurne. Ele se împart în :
– instrumente optice, cu ajutorul cărora se prind razele de lumina (lunete, telescoape, etc.);
– radioinstrumente, cu care se prind radiaţii electromagnetice;
Instrumentele ajutătoare şi speciale sunt într-un număr şi de o varietate foarte mare, folosite în anumite cazuri speciale pentru a căror rezolvare au fost de fapt imaginate şi realizate.
2. TIPURI DE LUNETE
Luneta este un instrument de colectare şi de concentrare prin refracţie a luminii, de aceea se mai numeşte şi refractor.
– Luneta lui Galilei sau luneta olandeză a fost inventată pe la 1600 în Olanda. Aflând despre aceasta, Galileo Galilei construieşte şi îndreaptă spre cer, în anul 1609, prima lunetă care avea ca obiectiv o lentilă biconvexă cu distanţa focală de câţiva decimetri, iar ca ocular o lentilă biconcavă de dispersie, cu distanţa focală de câţiva centimetri. Aceasta se aşeza între obiectiv şi focarul acestuia şi se deplasa înainte şi înapoi până când fascicolul conic de raze dat de obiectiv se transforma într-un fascicol paralel, pentru a intra în ochi. Această lunetă dă imagini directe. De aceea poate fi folosită şi ca lunetă terestră (nu răstoarnă imaginea), ca luneta de ochire, la binocluri etc. Marele dezavantaj al acestui tip de lunetă este că are un câmp mic de vedere (cuprinde o porţiune mică pe sfera cerească) şi are o putere mică de mărire.
– Luneta astronomică sau luneta Kepler are, atât ca obiectiv, cât şi ca ocular lentile biconvexe. Ocularul se aşază dincolo de focarul obiectivului. Prin aceasta, luneta are un câmp de vedere mai mare şi o putere mai mare de mărire, dar are o lungime mai mare şi dă imagini răsturnate.
3. DEFECTELE LENTILELOR
O lentilă simplă prezintă o serie de defecte, printre care enumerăm câteva mai importante :
a) Aberaţia sferică, care provine din faptul că lentila obiectiv reflectă mai puternic razele de la marginea lentilei decât pe cele mai apropiate de centru, deci de axa optică. Fiecare zonă a obiectivului focalizează astfel în alt focar şi se obţine în acest fel un focar liniar, nu punctual. Din această cauză imaginea unui punct luminos (stea) nu va fi tot un punct, cum ar trebui, ci un disc, chiar dacă razele de lumină cad pe obiectiv paralele cu axul optic. În cazul în care razele de lumină cad sub un anumit unghi, imaginea va fi o pată colorată, asemenea cometelor. Defectul se corectează prin diafragmarea obiectivului, adică acoperind părţile marginale. Prin aceasta, însă, se micşorează suprafaţa lentilei.
b) Aberaţia cromatică. Diferitele radiaţii din care este formată lumina albă nu sunt egal refractate de către lentilă. Sunt refractate mai puternic razele cu lungimi de undă mici (adică cele violete) şi mai puţin razele cu lungimi de undă mari (de exemplu, cele roşii). Din această cauză se obţin imagini colorate.
Obiectivele se pot corecta de această aberaţie cu ajutorul filtrelor (cele galbene şi verzi, de exemplu, elimină coloraţia în roşu şi albastru). Indicii de refracţie ai celor două lentile se pot potrivi astfel, încât să se elimine dispersia cel mult pentru două culori diferite. Un astfel de obiectiv se numeşte acromatic.
Cu sisteme formate din mai multe lentile se pot elimina trei culori diferite. Aceste obiective se numesc apocromatice. Dezavantajul lor este că nu se pot realiza în dimensiuni mari.
c) Astigmatismul se datorează faptului că un obiectiv compus, chiar şi din două lentile, nu formează pentru un obiect plan o imagine plană, ci boltită (din cauza înclinării razelor faţă de axa optică se schimbă şi planul în care se adună razele de cealaltă parte a obiectivului). Obiectivele corectate de astigmatism se numesc anastigmate (şi dublu anastigmate).
d) Distorsiunea provine din inegalitatea mărimilor diferitelor părţi ale obiectivului. Din această cauză o reţea dreptunghiulară apare deformată cu linii curbate având concavitatea fie în exterior, fie în interior. Calitatea imaginilor date de un obiectiv în afară de aceste aberaţii şi de fenomene fizice şi atmosferice al căror efect se adaugă la cele ale caracteristicilor de construcţie.
4. CALITĂŢILE LENTILELOR
a) Puterea colectoare este o proprietate a lentilei de a strânge şi de a îndrepta spre ochiul observatorului un număr mai mare de raze decât pot pătrunde în mod obişnuit prin pupilă.
b) Puterea luminoasă. Strălucirea imaginii este, abstracţie făcând de pierderile de lumină, direct proporţională cu mărimea obiectivului şi invers proporţională cu lungimea focală.
c) Puterea separatoare este una dintre calităţile cele mai importante ale lunetei. Datorită ei se pot vedea separat imaginile a doi aştri apropiaţi care, pentru ochiul liber, se contopesc. Două puncte luminoase (o stea dublă, de exemplu) apar distincte, dacă inelele de difracţie ale imaginilor lor nu se suprapun prea mult. Difracţia este un fenomen care face ca obiectivele corectate de toate aberaţiile să nu dea pentru un punct luminos o imagine punctiformă, ci un disc mic înconjurat de inele luminoase şi întunecate concentrice, numite inele de difracţie.
Discurile de difracţie sunt, cu atât mai mici, cu cât este mai mare diametrul obiectivului şi puterea luminoasă a lunetei. Puterea separatoare depinde, însă, şi de culoarea luminii şi de starea atmosferei în momentul observaţiei.
d) Mărirea (Grosismentul) este raportul dintre unghiurile sub care se vede imaginea prin ocular şi cu ochiul liber, fiind aproximativ cât raportul dintre distanţa focală a obiectivului şi distanţa focală a ocularului. Acest număr arată de câte ori se vede mai aproape un obiect privit prin luneta faţă de ochiul liber.
e) Puterea de pătrundere este cea mai mică mărime stelară vizibilă prin lunetă.
Ocularul este un sistem optic compus, de obicei, din două lentile. Cea dinspre obiectiv se numeşte lentilă colectoare sau lentilă de câmp, deoarece serveşte la mărirea câmpului vizual, iar cea dinspre ochi poartă numele de lentilă ocular. Aberaţia cromatică a ocularului devine minimă, dacă distanţa dintre lentile se ia egală cu media aritmetică a celor doua lungimi focale ale lentilelor.
Există două tipuri de ocular:
a) Ocular de tip Ramsden sau micrometric, la care cele două lentile plan convexe componente au convexitatea una către alta spre interior.
b) Ocular Huyghens, la care cele două lentile plan convexe au convexităţile orientate spre obiectiv. Focarul se formează între cele două lentile.
5. TELESCOPUL. TIPURI DE TELESCOAPE
Telescopul este un instrument al cărui obiectiv (oglinda) concentrează razele de lumină prin reflexie. Din această cauză mai poartă şi numele de reflector. Este format dintr-un sistem de oglinzi şi din ocular. Acesta are o oglindă mare, principală, colectoare care este un disc de sticlă şlefuit pe o parte sub forma de paraboloid de revoluţie şi acoperit cu un strat subţire de argint sau aluminiu. La schimbarea direcţiei razelor de lumină, o a doua oglindă mai mică, secundară, care poate să şi lipsească, poate fi plană, convexă (hiperbolică sau concavă). Oglinzile prezintă defecte asemănătoare cu lentilele. Ele nu au însă abateri cromatice, pentru că prin reflexie lumina nu se descompune în culori şi componente.
a) Telescopul Herschel. Oglinda obiectiv este înclinată faţă de axul tubului şi astfel focalizează razele de lumină spre marginea tubului unde se fixează ocularul. Acesta prezintă dezavantajul că razele de lumină cad oblic pe oglindă şi abaterea sferică şi astigmatismul oglinzii devin supărătoare. Este singurul tip de telescop fără oglindă secundară.
b) Telescopul Newton. Razele de lumină adunate de oglinda principală, parabolică, sunt reflectate lateral spre ocular cu ajutorul unei oglinzi plane secundare înclinate la 45 grade faţă de axa optică. Dezavantajul acestui telescop este că se priveşte perpendicular pe direcţia razelor şi în partea de sus a tubului.
c) Telescopul Gregory. Are oglinda principală parabolică perforată la mijloc, pe unde pătrunde spre ocular fascicolul de raze reflectate de oglinda secundară, concavă şi eliptică situată dincolo de focarul oglinzii principale.
d) Telescopul Cassegrain. Acesta a luat locul telescopului Gregory şi se deosebeşte prin faptul că oglinda secundară este convexă, hiperbolică şi aşezată înaintea focarului oglinzii principale.
e) Telescopul Schmidt. În anul 1930 opticianul Bernhard Schmidt construieşte un telescop care elimină neajunsul altor telescoape, acela de a avea un câmp vizual mic. Acest tip de telescop s-a folosit numai pentru fotografiere, nu şi pentru observaţii vizuale.
f) Telescopul Maxutov. O perfecţionare a telescopului Baker-Schmidt. El are o oglinda sferică perforată ca la tipul de telescop Cassegrain. Acest tip de telescop are o mulţime de avantaje, printre care amintim următoarele: este uşor de construit, deoarece suprafeţele de şlefuit sunt sferice, iar aberaţiile sunt reduse la minim; tubul care este închis de lentilă face ca argintul sau aluminiul de pe faţa interioară să aibă o durabilitate mai mare, fiind protejat de umezeală şi praf.
6. SCURT ISTORIC.
Între lunetă şi telescop s-a produs o competiție continuă şi îndelungată.
După inventarea lunetei, s-au scurs 100 de ani până ce s-a găsit mijlocul de acromatizare a obiectivului. Până atunci obiectivele se făceau mici şi, deci, puţin luminoase. Din acest motiv s-a preferat telescopul. Telescopul a fost realizat pentru prima dată în Olanda de către Zucchius, dar telescopul întrebuinţat pentru observaţii astronomice a fost telescopul lui Newton în anul 1671. Friedrich William Herschel, muzician şi astronom amator, mare descoperitor şi fondator al astronomiei moderne, a şlefuit 400 de oglinzi metalice, dintre care cea mai mare a avut diametrul de 1,22 metri şi lungimea focală de 11,9 metri. Oglinzile de sticlă se folosesc abia de aproximativ 100 de ani.
Pe la începutul secolului al XIX-lea elveţianul Guinaud a găsit un procedeu de a obţine sticlă flint curată şi de dimensiuni neatinse până atunci şi a dat celebrului optician german Fraunhofer posibilitatea să şlefuiască obiective acromatice cu diametrul de 26 centimetri, aşa că se preferă din nou luneta. Când, însă, Foucault, marele fizician francez, a inventat procedeul de a tăia oglinzi de sticlă în locul oglinzilor grele de metal, care se foloseau până atunci, dând şi o metodă sigura şi uşoară pentru studiul lor, întrecerea a fost câştigată din nou de telescop, care deţine şi azi supremaţia, când este vorba de dimensiuni.
Deoarece construirea obiectivelor (lentile şi oglinzi) de dimensiuni şi calităţi superioare este o operă importantă, întocmai ca în artă, ele poartă numele autorului. Dintre şlefuitorii celebri amintim pe Clarke şi Ritchey din SUA şi pe francezul Coude.
Radiotelescopul. Acest instrument se foloseşte la colecţionarea şi măsurarea radiaţiilor electromagnetice (a undelor radio cu lungimi cuprinse între un centimetru şi douăzeci de metri), inaccesibile vederii, emise de Soare, Lună, planete, nebuloase şi de către numeroase alte surse. Este astfel o preţioasă completare a instrumentelor optice, deoarece pot culege informaţii pe care razele de lumină nu le pot aduce. Un radiotelescop se compune, de obicei, dintr-o antenă metalică paraboloidală mare, montată asemănător lunetelor ecuatoriale, care serveşte la colectarea şi strângerea în focar a undelor radio. Acestea, având o energie slabă, sunt amplificate pentru a putea fi înregistrate. Instrumentul mai dispune de un receptor şi de un sistem de înregistrare. Pentru determinarea sursei emiţătoare se folosesc azi baterii de radiotelescoape, care lucrează prin interferenţă. Aceste instrumente moderne au mărit considerabil posibilitatea omului de a pătrunde în cercetarea spaţiului. S-au detectat unde radio de la nebuloase situate la o depărtare de până la 17 miliarde de ani lumină.
Radarul este un instrument cu care se pot trimite prin impulsuri unde radio spre aştri şi se pot recepţiona, după reflexie, întoarcerea lor. Are aplicaţii multiple în probleme de localizare, de determinare a distanţelor şi a vitezelor diferitelor obiecte. Radarul s-a folosit mai întâi în cel de-al Doilea Război Mondial pentru detectarea avioanelor şi submarinelor, pentru aterizare pe timp noros şi cețos etc.
Prof. Ioan Bob, Complexul Astronomic Baia Mare
