Astronomia
Lezione 13/11/2014
Astronomia AA14-15
Docente: Marco De Petris
e.mail: marco.depetris@roma1.infn.it
Libri di testo:
- Elementi di Astronomia, P. Giannone, Pitagora Editrice - Astronomical Optics, D.J. Schroeder, Academic Press
Per tenersi aggiornati su pubblicazioni scientifiche dare un’occhiata a:
http://arxiv.org/
Astrophysics (astro-phnew, recent, find)
dove osservare?
Coordinate Celesti
con che cosa osservare?
Telescopi
come osservare?
Montature e Sistemi di puntamento
Astronomia Osservativa
Telescopi
Astronomia AA14-15
Telescopi
Astronomia AA14-15
Leggi di Snell (Cartesio)
Riflessione
Rifrazione
Indice di rifrazione relativo
n
1n
2n
1n
2i
1r
1i
1r
2Principio di Reversibilità: Leggi invarianti per il verso dei raggi (rifratto e/o riflesso)
Willibrord Snell (1591-1626)
Indice di rifrazione
rapporto della velox luce nel vuoto e nel dielettrico
n
1n
2i
1r
1n
1n
2i
1r
2n
1< n
2 i.e. rado-densoTelescopi
Astronomia AA14-15
Lente sottile (caso ideale):
Formula della lente in (*) forma gaussiana
forma newtoniana
Formula del “fabbricante di lenti”
(*) ricavate da similitudini tra triangoli Ray tracing: metodo dei raggi paralleli o dei fuochi
Sistema Ottico Centrato composto da 2 diottri
separati da distanza trascurabile rispetto alle altre distanze in gioco
nel caso di lente nello stesso n abbiamo
Telescopi
Collettori di radiazione di forma e dimensioni fortemente dipendenti dalla lunghezza d’onda o energia dei fotoni osservati.
Classi:
Riflettori Rifrattori Catadiottrici
Soluzioni “classiche”
di impiego prevalente nel VIS/IR
Telescopi
Astronomia AA14-15
Telescopio Classico Rifrattore Stop di
Apertura Stop di
Campo
Diametro PE, i.e. Obbiettivo
Diametro PU Focale Obbiettivo
Focale Oculare Angolo di campo dell’ oggetto
Angolo di campo dell’ immagine
Magnificazione angolare:
rapporto tra gli angoli che forma il chief ray con la PU e la PE
Sistema Afocale: ogg e/o imm all’infinito
Telescopi
Astronomia AA14-15
Difetti dell’immagine: Aberrazioni
Sviluppo in serie di McLaurin
se raggi parassiali : ap.pa. Legge di Snell lineare
Teoria del Terzo Ordine 5 tipi di difetti nell’immagine che chiamiamo Aberrazioni monocromatiche (i.e. presenti in sistemi riflettivi così come nei rifrattivi )
più 2 aberrazioni cromatiche (i.e. presenti nei soli sistemi rifrattivi) o per essere corretti 2 componenti dello stesso tipo di aberrazione ….
La rifrazione NON è lineare quindi ….
altrimenti:
Telescopi
Astronomia AA14-15 Campo lontano
z
Campo Vicino
Onda piana incidente
Apertura
Fresnel Fraunhofer
Difetti dell’immagine: Diffrazione
Point Spread Function da Apertura circolare (dia = 2a):
distribuzione dell’intensità (normalizzata) sul piano immagine
variabile adimensionale
ostruzione di raggio
Telescopi
Difetti dell’immagine: Diffrazione
Semi Disco di Airy Potere risolutivo di
un telescopio:
Criterio di Rayleigh
Telescopi
Difetti dell’immagine: Atmosfera
Seeing: variazioni random della direzione della sorgente celeste Scintillation: fluttuazioni random di intensità della sorgente celeste
Atmo statica
Immagine perfetta
Lunga esposizione Corta esposizione sorgente
fronte d’onda telescopio
piano focale
turbolenza
PSF
Astronomia AA14-15
Telescopi
Astronomia AA14-15
Condizioni generali sul profilo/i dell’elemento ottico che colleziona la radiazione:
Simmetria cilindrica
Coniugazione tra 2 punti (∞& F) Soluzione: Coniche di rivoluzione
eccentricità costante conica
raggio di curvatura al vertice
Fig da http://it.wikipedia.org/wiki/Sezione_conica
…esistono anche casi off-axis
sagitta
sezioni
Telescopi
Astronomia AA14-15 Variazione del raggio di curvatura con la
distanza dall’asse e la costante conica
A parità di , cresce con il diminuire di ap.pa
Lunghezza focale
Solo per il paraboloide il fuoco marginale coincide con quello parassiale
‘
Telescopi
D = 40 mm R = 50 mm f/# = 0.62
D = 40 mm R = 50 mm f/# = 0.62
Spot diagram
Spot diagram
Quale superficie scegliere?
Telescopi
Astronomia AA14-15
Soluzioni ottiche con 2 elementi ottici: es. telescopi di tipo Cassegrain
Parametri normalizzati
vd fig
per un’ellisse ricaviamo la relazione, valida cmq per ∀∀∀∀conica per il secondario
[vd S.]
Telescopi
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Gregoriano Primario: parabolico / Secondario: ellissoidale Dall-Kirkham Primario: ellissoidale / Secondario: sferico Pressman-Camichel Primario: sferico / Secondario: ellissoidale Scelta del profilo degli specchi dettata da considerazioni costruttive e/o di test
Problema: campo di vista limitato dal Coma
Ritchey-Chretien Primario: iperboloide / Secondario: iperboloide Annulliamo anche il coma e otteniamo queste condizioni sulle coniche:
APLANATICO NO Coma & Ab. Sferica
N.B. astigmatismo del RC maggiore del CC Soluzione largamente utilizzata per i recenti teles
Telescopi
Astronomia AA14-15
Telescopio Schmidt (*)
SA + LC
SS
Specchio Sferico(SS) concavo con raggio di curvatura R Stop di Apertura(SA) con Lastra Correttrice(LC) rifrattiva posti sul centro di curvatura
Piano Focale(PF) curvo
Stessa qualità immagine ∼∀∀∀∀f.o.v.
R
PF
Campo di vista (exag.) = 30 deg
OPD : sfera e paraboloide
Compensiamo l’OPD inserendo una lastra di dielettrico di spessore variabile
C
Prob. Cromatismo
(*) Bernhard Schmidt (1879-1935) ricordiamo
Telescopi
Scala al piano focale
angolo in cielo (rad)
distanza dall’a.o. sul piano focale (mm)
focale effettiva
PF
Lente equiva...lente
al telescopio
Angolo in cielo
Telescopi
Astronomia AA14-15
Spettro Elettromagnetico
secondo una catalogazione basata sugli effetti fisici (che ha origine nella storia della loro scoperta)
Denominazione Intervallo d'energia Lunghezza d'onda (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 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
Energia Nome Tecnica
10-30 MeV Medium Satellite
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
Telescopi
Astronomia AA14-15 1 MeV - 10 TeV
Telescopi
γ
Telescopi
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L’Astronomia
γ
o dell’ Impossibile:La superficie di raccolta si limita alla dimensioni del rivelatore
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)
Scarsità di fotoni (pochi ma energetici!) -> lunghi tempi di esposizione
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 trasportata ma non si determina la direzioneda 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 del cielo prende il nome di shadowgramma
Telescopi
Astronomia AA14-15
INTEGRAL:
IBIS & SPI
Maschera 3 cm di spessore in tungsteno:
127 elementi esagonali: 63 opachi & 64 trasparenti.
2 strati di rivelatori:
Cd-Te -> bassa E CsI -> alta E
Telescopi
Astronomia AA14-15
Telescope Whipple CAT HGRA TA TACTIC CANGAROO Durham CrAO Site Mt. Hopkins Themis La Palma Dugway 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
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 I gamma VHE interagiscono con i
componenti atmosferici A terra si rivelano i prodotti di tali interazioni
Air Cerenkov Telescope
Telescopi
Astronomia AA14-15
Whipple
Cangaroo
Veritas
Telescopi
Group Location Area(sqm) n. det. Ep (TeV) Mu area(sqm) rate (Hz) Years
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
Tibet YBJ 8000 49 8 0 5 1990-93
44000 221 8 0 230 1995-
5000 109 2 0 230 1996-
CASA-MIA Particle detector Array
Telescopi
Astronomia AA14-15
Telescopi X
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.
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 perpendicolarmente al loro cammino, possono invece essere riflessi da uno specchio molto inclinato, e quindi quasi parallelo al loro cammino
PROBLEMA:
rugosità superficiale MOLTO accurata!
Prestazioni limite: 5 arcsec
100 eV - 1 MeV
Telescopi
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Chandra X-ray Observatory
Schematic of Grazing Incidence, X-ray Mirrors
Telescopi
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Telescopi UV-VIS-NIR
10-300 nm / 0.3-1 µµµµm / 1-10 µµµµm
Telescopi “storici”:
Hale(Monte Palomar California) 1947:
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 m s.l.m.
Nuove concezioni:
Mosaico di specchi (vd MMT) Specchio segmentato (vd Keck I e II) Specchio a menisco (vd NTT)
Telescopio di Galileo Galilei:
f = 1330 mm & D = 26mm
Telescopi
Mt. Hopkins, Arizona - 31 41 N; 110 53 W - 2600 m
6 specchi da 1.8-m > 4.5 metri equivalenti nuovo primario da 6.5 metri
Mauna Kea, Hawaii - 19 50 N; 155 28 W- 4123 m
2 telescopi con specchi da 10-m realizzati con 36 segmenti
Multi-Mirror Telescope
Keck I e II
Telescopi
Astronomia AA14-15
Keck I & II Mauna Kea Observatory 4145 m s.l.m. - Hawaii
VIS-IR
Telescopi
Astronomia AA14-15
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) New Technology Telescope - NNT
Astronomia AA14-15
Principio funzionamento Ottica Adattiva
Telescopi
Telescopi
Large Binocular Telescope (LBT)
2 specchi da 8.4 m di diametro
Mt. Graham (Arizona, 3200 m
slm)
Telescopi
Astronomia AA14-15
Hubble Space Telescope
Telescopio Ritchey-Chretien da 2.4-m dia
Il successore sarà il James Webb Space Telescope 6.6-m dia.
Telescopi
Astronomia AA14-15 100-1000 µµµµm / 1-10 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 Mauna Kea, Hawaii - 19 50 N; 155 28 W- 4123 m 10 metri di dia.
Telescopi FIR-mm
Telescopi
Astronomia AA14-15
Radiotelescopi
10 mm – 30 m
100-Effelsberg
Bonn – Germania - 6°53'0.3" E 50°31'30" N - 319m 100 metri di dia. Mont. Altaz Orientabile
Arecibo Porto Rico - 305 metri di dia.
Puntamento minimale - 40.000 pannelli
Telescopi
VLA
VLTI
ALMA PdBI
Interferometri Radio
∆θ= λ/D ∆θ= λ/b Interferometri Radio
Piano focale Singola apertura
1.22 λ/D
Telescopi
λ/b
Baseline b
2 Aperture Piano focale
Astronomia AA14-15 Dr. Simone Antoniucci, INAF - OAR
Telescopi
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Telescopi
Astronomia AA14-15
C. Barbieri - http://dipastro.pd.astro.it/planets/barbieri/didattica.html
Distribuzione dei più moderni telescopi nei 2 emisferi
Telescopi
C. Barbieri - http://dipastro.pd.astro.it/planets/barbieri/didattica.html
Distribuzione dei più moderni telescopi nei 2 emisferi
Astronomia AA14-15
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
Risoluzione ang. = 0”,01 Campo di vista = 20’
f/15
Inizio operazioni > 2018 Mauna Kea - Hawaii
Astronomia AA14-15
Telescopi
Configurazione: Gregoriano
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 primari montatura Progetti futuri : Giant Magellan Telescope (GMT)
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Progetti futuri : Large Synoptic Survey Telescope (LSST)
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
Telescopi
Progetti futuri : European Extremely Large Telescope (E-ELT) Diametro primario 42 m (?)
Area = 1200 m2
Ris. ang. = 0”,01 Campo di vista = 10’
Inizio operazioni > 2018?
Sito: TBD
2 possibili soluzioni ottiche
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Telescopi
Progetti futuri : European Extremely Large Telescope (E-ELT)
E-ELT
VLT
Porta di Brandeburgo
Primario segmentato
Astronomia AA14-15
Telescopi
Progetti futuri : International Liquid Mirror Telescope Project (ILMT)
Diametro primario 4 m
Specchio primario realizzato con mercurio in rotazione = paraboloide.
Osservazioni zenitali
Inseguimento tramite software Ris. ang. = <1”
Campo di vista = 30’
Inizio operazioni > 2018?
Sito: Devasthal (India)
contenitore rotante per il mercurio correttore per il piano focale prima della CCD