e mail: marco depetris@roma1 infn it e.mail: [email protected]

(1)

Astronomia

Lezione 21/11/2011

Docente: Marco De Petris

e mail: marco depetris@roma1 infn it e.mail: [email protected]

Libri di testo:

‐ Elementi di Astronomia, P. Giannone, Pitagora Editrice Astronomical Optics D J Schroeder Academic Press

‐ Astronomical Optics, D.J. Schroeder, Academic Press

Per tenersi aggiornati su pubblicazioni scientifiche dare un’occhiata a:

h // /

http://arxiv.org/

Astrophysics (astro-phnew, recent, find)

(2)

Telescopi Telescopi

Condizioni generali sul profilo/i dell’elemento ottico che colleziona la radiazione:

Si t i ili d i i t h i ff i

Simmetria cilindrica

Coniugazione tra 2 punti ( & F) S l i C i h di i l i

…esistono anche casi off-axis

Soluzione: Coniche di rivoluzione

eccentricità

costante conica

raggio di curvatura al verticeagg o d cu atu a a e t ce

sagitta

sezioni

(3)

Telescopi Telescopi

Variazione del raggio di curvatura con la

distanza dall’asse e la costante conica ‘

A parità di cresce con il diminuire di A parità di , cresce con il diminuire di

ap.pa Lunghezza focale

Solo per il paraboloide il fuoco

marginale coincide con quello parassiale

(4)

Telescopi

Quale superficie scegliere?

Telescopi

Quale superficie scegliere?

D = 40 mm R = 50 mm f/# = 0 62

f/# = 0.62 f/# = 0.62

Spot diagram

(5)

Telescopi Telescopi

Soluzioni ottiche con 2 elementi ottici: es. telescopi di tipo Cassegrain Parametri normalizzati



vd fig

per il secondario



per il secondario

[vd S.]

per un’ellisse ricaviamo la relazione, valida cmq per  conica

(6)

Telescopi Telescopi

Gregoriano Primario: parabolico / Secondario: ellissoidale Scelta del profilo degli specchi dettata da considerazioni costruttive e/o di test

Dall-Kirkham Primario: ellissoidale / Secondario: sferico Pressman-Camichel Primario: sferico / Secondario: ellissoidale Problema: campo di vista limitato dal Coma

Ritchey Chretien Primario: iperboloide / Secondario: iperboloide Annulliamo anche il coma e otteniamo queste condizioni sulle coniche:

Ritchey-Chretien Primario: iperboloide / Secondario: iperboloide

APLANATICO

NO Coma & Ab. Sferica S

N.B. astigmatismo del RC maggiore del CC Soluzione largamente utilizzata per i recenti teles

(7)

Telescopi Telescopi

Telescopio Schmidt (*)

Specchio Sferico (SS) concavo con raggio di curvatura R

Stop di Apertura (SA) con Lastra Correttrice (LC) rifrattiva posti sul centro di curvatura

PF

centro di curvatura

Piano Focale (PF) curvo

Stessa qualità immagine  f.o.v.

C

SA + LC

SS

q g

R OPD : sfera e paraboloide

Campo di vista (exag.) = 30 deg ricordiamo

Compensiamo l’OPD inserendo una lastra di dielettrico di spessore variabile Prob Cromatismo

Prob. Cromatismo

(8)

Telescopi Telescopi

PF

Scala al piano focale PF

Lente equiva...lente

al telescopio

Angolo in cielo

angolo in cielo (rad)

distanza dall’a.o. sul piano focale (mm)

focale effettiva piano focale (mm)

(9)

Telescopi Telescopi

Spettro Elettromagnetico p g

secondo una catalogazione basata sugli effetti fisici (che ha origine nella storia della loro scoperta)

Denominazione Intervallo d'energia Lunghezza d'onda (in cm.) Raggi Gamma 100 KeV - 10 TeV 1,2 x 10^-9 / 1,2 x 10^-17

Raggi X 100 eV - 100 KeV 1,2 x 10^-6/ 1,2 x 10^-9 Raggi Ultravioletti 3 eV - 100 eV 7,5 x 10^-5/ 1,2 x 10^-6 Radiazione Visibile centrata sui 2 eV 7 5 x 10^-5/ 3 x 10^-5 Radiazione Visibile centrata sui 2 eV 7,5 x 10 ⁵/ 3 x 10⁵ IR/Microonde 1,2 x 10^-3 - 1 eV 3 x 10^{-5 / 0,1}

Onde Radio 1,2 x 10, ^-3 - 1,2 x 10, ^-6 0,1 / 100 ,

(10)

Telescopi

1 MeV - 10 TeV

Telescopi



Energia Nome Tecnica

10-30 MeV Medium Satellite

30Mev-30Gev High Energy (HE) Satellite

Telescopi

30Mev 30Gev High Energy (HE) Satellite

30 GeV - 30 TeV Very High Energy (VHE) Cerenkov Array (terra)

> 30 Tev Ultra High Energy (UHE) Array a terra 30 Pev -> Extremely High Energy (EHE) Terra

(11)

Telescopi Telescopi

L’Astronomia



o dell’ Impossibile:

La superficie di raccolta si limita alla dimensioni del rivelatore

Scarsità di fotoni (pochi ma energetici!) -> lunghi tempi di esposizione

Tre processi causano l'assorbimento del fotone gamma nella materia:

1. l'effetto fotoelettrico (gamma su elettroni legati), 2. la diffusione Compton (gamma su elettroni liberi),

3. la produzione di coppie elettrone-positrone (gamma entro campo elettrico di un nucleo -> e+p)

(12)

Telescopi Telescopi

Per rivelare i raggi gamma si usano rivelatori che sono molto simili a quelli usati per misurare il flusso di particelle: di un raggio gamma si misura l’energia usati per misurare il flusso di particelle: di un raggio gamma si misura l energia trasportata ma non si determina la direzione da cui il fotone gamma è arrivato!

Il problema è stato risolto per la prima volta nel 1986: sopra i rivelatori si inserisce una piastra, detta maschera codificata, con una grande quantità di fori disposti in maniera oculata.

Questo metodo, di fatto, sostituisce la "messa a fuoco" tradizionale.

Una sorgente puntiforme produrrà una sequenza di ombre e conteggi di fotoni gamma,

la sequenza di ombre prodotta da una certa regione la sequenza di ombre prodotta da una certa regione del cielo prende il nome di shadowgramma

(13)

Telescopi Telescopi

Maschera 3 cm di spessore in tungsteno:

127 elementi esagonali: 63 opachi & 64 trasparenti.

2 strati di rivelatori:

INTEGRAL:

IBIS & SPI

Cd-Te -> bassa E CsI -> alta E

(14)

Telescopi

I gamma VHE interagiscono con i componenti atmosferici

Air Cerenkov Telescope

Telescopi

componenti atmosferici A terra si rivelano i prodotti di tali interazioni

p

Telescope Whipple CAT HGRA TA TACTIC CANGAROO Durham CrAO Site Mt. Hopkinsp Themis La Palma Dugwayg y Mt. Abu Woomera Narrabi Crimea Longitude -110 -2.0 -17.8 -113.0 +72.7 +136.8 +149.8 +34

Latitude 31.4N 42.5N 28.8N 40.33N 24.6N 31.1S 30,5S 45N

Elevation m 2300 1650 2200 1600 1300 160 200 600

N of telesc 1 1 4 3 4 1 1(3 dishes) 2X6 dishes

N. of telesc. 1 1 4 3 4 1 1(3 dishes) 2X6 dishes

Thresh. GeV 250 300 500 600 700 1000 250 900

Sensyt. cm^-2s^-1 10^-11 10^-11 4x10^-11 (?) 10^-11 (?) 10^-11 4x10^-12 5x10^-11 5x10^-12

(15)

Telescopi

Air Cerenkov Telescope Cangaroo

Telescopi

Whipple

Veritas

(16)

Telescopi

Group Location Area(sqm) n. det. Ep (TeV) Mu area(sqm) rate (Hz) Years

CASA-MIA Utah 230400

Telescopi

1089 110 2500 20 1991-96

CASA-MIA Utah 230400 1089 110 2500 20 1991-96

CYGNUS Los Alamos 86000 204 50 120 5 1986-96

HEGRA La Palma 41000 257 50 150 12 1992-

SPASE South Pole 10000 24 100 1 1987-92

SPASE South Pole 10000 24 100 1 1987 92

Tibet YBJ 8000 49 8 0 5 1990-93

44000 221 8 0 230 1995-

5000 109 2 0 230 1996-

CASA

CASA-MIA Particle detector Array CASA

CASA MIA Particle detector Array

(17)

Telescopi

Telescopi X

Telescopi

Le prime osservazioni del cielo in raggi X furono fatte con semplici contatori Geiger del tipo di quelli che si usano per il controllo della radioattività

100 eV - 1 MeV

Geiger, del tipo di quelli che si usano per il controllo della radioattività.

R. Giacconi e B. Rossi proposero specchi capaci di focalizzare i raggi X, basati sul principio della incidenza radente

I raggi X, mentre vengono assorbiti da uno specchio posto quasi

di l t l l

perpendicolarmente al loro

cammino, possono invece essere riflessi da uno specchio molto

inclinato e quindi quasi parallelo al inclinato, e quindi quasi parallelo al loro cammino

PROBLEMA:

rugosità superficiale MOLTO accurata!

Prestazioni limite: 5 arcsec

(18)

Telescopi

Chandra X-ray Observatory

Telescopi

Schematic of Grazing Incidence, X-ray Mirrors

(19)

Telescopi

Telescopi UV VIS NIR

Telescopi

Telescopi UV-VIS-NIR

10-300 nm / 0.3-1 m / 1-10 m

Telescopio di Galileo Galilei:

f = 1330 mm & D = 26mm

Telescopi “storici”:

Hale (Monte Palomar California) 1947:

5 metri di dia 5 metri di dia.

33 21 N; 116 52 W - 1900 m s.l.m.

Bolshoi Teleskop Azimutalnyi (Nizhny Arkhyz,Russia) : 6 metri di dia.

43 39 N 41 26 E 2070 l 43 39 N; 41 26 E - 2070 m s.l.m.

Nuove concezioni:

Mosaico di specchi (vd MMT) Specchio segmentato (vd Keck I e II) Specchio segmentato (vd Keck I e II) Specchio a menisco (vd NTT)

(20)

Telescopi

^{M lti Mi} ^{T l}

Telescopi

Mt. Hopkins, Arizona - 31 41 N; 110 53 W - 2600 m

6 specchi da 1.8-m > 4.5 metri equivalenti Multi-Mirror Telescope

nuovo primario da 6.5 metri

K k I II

Mauna Kea, Hawaii - 19 50 N; 155 28 W- 4123 m

Keck I e II

2 telescopi con specchi da 10-m realizzati con 36 segmenti

(21)

Telescopi Telescopi

Keck I & II Mauna Kea Observatory 4145 m s.l.m. - Hawaii

VIS-IR

(22)

Telescopi Telescopi

Cerro La Silla Cile - 29 15 S; 70 44 W - 2400 m New Technology Telescope - NNT

Cerro La Silla, Cile - 29 15 S; 70 44 W - 2400 m

3.58 metri di dia. (Ritchey-Chretien) – spessore menisco 25 cm (vetro Schott Zerodur)

Adattivo+Attivo (75 attuatori posteriori + 24 attuatori laterali) Adattivo+Attivo (75 attuatori posteriori + 24 attuatori laterali)

(23)

P i i i f i t

Telescopi

Principio funzionamento Ottica Adattiva

Telescopi

(24)

Telescopi Telescopi

Large Binocular Telescope (LBT)

2 specchi da 8.4 m di diametro

Mt. Graham (Arizona, 3200 m

slm)

(25)

Telescopi

H bbl S T l

Telescopi

Hubble Space Telescope

Telescopio Ritchey-Chretien da 2 4-m dia Telescopio Ritchey-Chretien da 2.4-m dia

Il successore sarà il James Webb

Space Telescope Space Telescope 6.6-m dia.

(26)

Telescopi

Telescopi FIR-mm

Telescopi

100-1000 m / 1-10 mm

IRAM Telescopi FIR-mm

IRAM Pico Veleta, Spagna -2200 m

30 metri di dia.

SEST

Cerro La Silla, Cile - 29 15 S; 70 44 W-2400 m 15 metri di dia.

CSO

M K H ii 19 50 N 155 28 W 4123

Mauna Kea, Hawaii - 19 50 N; 155 28 W- 4123 m 10 metri di dia.

(27)

Telescopi

Radiotelescopi

Telescopi

10 mm – 30 m

Arecibo Arecibo Porto Rico - 305 metri di dia.

Puntamento minimale - 40.000 pannelli

100-Effelsberg

B G i 6°53'0 3" E 50°31'30" N 319 Bonn – Germania - 6°53'0.3" E 50°31'30" N - 319m 100 metri di dia. Mont. Altaz Orientabile

(28)

Telescopi

Interferometri Radio

Telescopi

VLTI PdBI VLTI

PdBI

VLA

VLA ALMAALMA

(29)

Interferometri Radio

Diametro D

Telescopi

 = /D  = /b Singola apertura

Telescopi

1.22 /D

Pi f l

/

Baseline b Piano focale

Piano focale Baseline b

2 Aperture

/b

(30)

Telescopi

(31)

Telescopi Telescopi

Distribuzione dei più moderni telescopi nei 2 emisferi

C. Barbieri - http://dipastro.pd.astro.it/planets/barbieri/didattica.html

(32)

Telescopi Telescopi

Distribuzione dei più moderni telescopi nei 2 emisferi

C. Barbieri - http://dipastro.pd.astro.it/planets/barbieri/didattica.html

(33)

Telescopi

Progetti futuri : Thirty Meter Telescope (TMT)

Configurazione: Ritchey-Chrétien Diametro primario 30 m

(primario con 492 segmenti esagonali da 1.4 m) Diametro secondario 3 m

Area = 700 m²

Area = 700 m

Risoluzione ang. = 0”,01 Campo di vista = 20’

f/15

Inizio operazioni > 2018 Mauna Kea - Hawaii

(34)

Telescopi

Configurazione: Gregoriano

7 specchi da 8 4 m come LBT (diametro

Progetti futuri : Giant Magellan Telescope (GMT)

7 specchi da 8.4 m come LBT (diametro equiv 24.5 m) Area= 380 m²

Campo di vista= 20’

Risoluzione ang.= 0”,01

Inizio operazioni > 2017? Las Campanas Observatory – Cile/Atacama

Basato su tecnologia LBT per specchi adattivi

specchi adattivi specchi primari montatura

(35)

Telescopi

Progetti futuri : Large Synoptic Survey Telescope (LSST)

Diametro primario M1 8 4 m Diametro primario M1 8.4-m Diametro secondario M2 3.4-m Diametro terziario M3 5.0-m

fov 3.5x3.5 deg (10 gradi quadrati) i.e. 64 cm di piano focale.

Sito previsto: Cerro Pachon, Cile

Sponsor: 19 Università USA + GOOGLE!

GoogleSky

(36)

Telescopi

Progetti futuri : European Extremely Large Telescope (E-ELT)

Diametro primario 42 m (?)p ( )

Area = 1200 m²

Ris. ang. = 0”,01 Campo di vista = 10’

Inizio operazioni > 2018?

Sito: TBD

2 possibili soluzioni ottiche

(37)

Telescopi

Progetti futuri : European Extremely Large Telescope (E-ELT)

Primario segmentato

E-ELT

Porta di VLT

Porta di Brandeburgo

(38)

Telescopi

Progetti futuri : International Liquid Mirror Telescope Project (ILMT)

Diametro primario 4 m

Specchio primario realizzato con mercurio in rotazione = paraboloide.

rotazione paraboloide.

Osservazioni zenitali

Inseguimento tramite software Ris. ang. = <1”

C di i t 30’

Campo di vista = 30’

Inizio operazioni > 2018?

Sito: Devasthal (India)

contenitore rotante per il mercurio correttore per il piano focale prima della CCD

(39)

Astronomia Osservativa Astronomia Osservativa

dove osservare?

 Coordinate Celesti

con che cosa osservare?

 Telescopi come osservare?

 Montature e Sistemi di puntamento p

(40)

Montature Montature

Sistema meccanico che sorregge il telescopio e ne permette la movimentazione dell’asse ottico

dell asse ottico.

Classificazione delle montature in base al numero degli assi di rotazione presenti:

0-axis : telescopio zenitale

strumenti destinati a sole calibrazioni telescopi grandi dimensioni fissi

telescopi “liquidi”p q

1-axis : strumenti meridiano o dei passaggi 2-axis : montature equatoriali e altazimutali n axis : esapodali

n-axis : esapodali

(41)

Montature Montature

0-axis: fisse

^Horn del National Radio Astronomy

Observatory's Green Bank per calibrazioni

Il più grande LMT è lo Zenith Large Telescope (British Observatory s Green Bank per calibrazioni su Cygnus X-1

Arecibo 305-m dia anche se il secondario è mobile Il più grande LMT è lo Zenith Large Telescope (British

Columbia University): 6.m dia / 3 tons

Arecibo 305 m dia., anche se il secondario è mobile

(42)

Montature Montature

1-axis: strumento meridiano

Asse di rotazione orizzontale in direzione Est-Ovest

Est Ovest

Osservazioni di transiti stellari scansionando il meridiano celeste.

8 inch (~0.2m) Flagstaff Astrometric Scanning Transit Telescope (FASTT) at the USNO Flagstaff Station Observatory

(43)

Montature Montature

2-axis Montatura equatoriale q

Il movimento sidereo dell’asse ottico del telescopio si realizza tramite la sola rotazione intorno all’asse polare, fissata la declinazione.

Vantaggio: un solo movimento Svantaggio: ingombrante

(44)

Montature Montature

2-axis Montatura altazimutale

Il movimento sidereo dell’asse ottico del telescopio si realizza tramite una successione di passi in altezza e in azimuth.

Vantaggio: compatta Svantaggi:

movimentazione combinata tra i due

movimentazione combinata tra i due assi

 singolarità allo zenith (velox )

 rotazione di campo (rotatore)

 “messa in stazione” più complessa (correzione passiva)

(45)

Rome (Italy) 41°45'00.0" N 12°39'00.0" E 21/11/2011

PNC Nord

21/11/2011 13:00 LT

Zenith

Est Zenith Ovest

Est Ovest

Sud

(46)

Montature Montature

I i t (t ki ) di

Rotazione del campo

dec ar

Inseguimento (tracking) di una sorgente in moto

sidereo con montatura equatoriale

alt equatoriale

alt

az

dec ar

Inseguimento (tracking) di una sorgente in moto

sidereo con montat ra

ar sidereo con montatura

altazimutale alt

az

alt Soluzione: rotatore di campo alt

(47)

Montature Montature

Correzione passiva puntamento

Al fine di ridurre gli errori di puntamento di una montatura altazimutale, dovuti anche a cause diverse dalla “messa in stazione” (ad esempio assi meccanici non corretti), si può ricorrere alla correzione delle coordinate nominali ) p

osservate utilizzando modelli che includono tutti (o quasi) i termini di disallineamento: ad esempio Modello di Ulich.

Coordinate lette

dagli encoders Correzioni da aggiungere

Coordinate vere

(48)

Montature Montature

Correzione passiva puntamento

Parametri legati ai diversi disallineamenti presenti nella montatura [Ulich, 1981]

(49)

Montature Montature

Correzione passiva puntamento

Scatter puntamento PRIMA_rms= 140”

Scatter puntamento

DOPO 15”

DOPO_rms= 15”

1. Campionamento del cielo “omogeneo”

di oggetti con posizioni note;

2 Best Fit con il modello;

2. Best-Fit con il modello;

3. Stima dei parametri;

4. Inserimento dei fattori correttivi

(50)

Montature Montature

n-axis: montatura esapodale p

Array for Microwave Background Anisotropy (AMiBA)

(AMiBA)

a 7-element interferometer, using 0.576 m Cassegrain dishes mounted on a 6 m carbon fibre hexapod mount. It is located on Mauna fibre hexapod mount. It is located on Mauna Loa, Hawaii, and observes at 3 mm .

(51)

Montature Montature

 -axis

Astroscan telescope made by Edmund scientific

(52)

Montature Montature

Fuochi Primario, Newtoniano e Cassegrain

(53)

Montature

Fuoco Nasmyth

Montature

Fuoco Coudé

Montatura AltAz

Un terzo specchio devia il fascio

Subaru telescope

Montatura Equatoriale

Tramite uno o più specchi si riporta Un terzo specchio devia il fascio

lungo l’asse di altezza. Utile per sistemi di rivelazione pesanti:

necessita de rotatore in azimuth

Tramite uno o più specchi si riporta l’asse ottico lungo l’asse polare permettendo al piano focale di rimanere fermo durante

necessita de-rotatore in azimuth rimanere fermo durante

l’inseguimento. Utile per spettrografi.