6.1: Telescopios

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Objetivos de aprendizaje

Describir los tres componentes básicos de un sistema moderno de medición de fuentes astronómicas
Describir las principales funciones de un telescopio
Describir los dos tipos básicos de telescopios de luz visible y cómo forman las imágenes

Sistemas para Medir Radiación

Hay tres componentes básicos de un sistema moderno para medir la radiación de fuentes astronómicas. En primer lugar, hay un telescopio, que sirve como “cubeta” para recoger la luz visible (o radiación en otras longitudes de onda, como se muestra en (Figura\(\PageIndex{1}\)). Así como puedes atrapar más lluvia con un bote de basura que con una taza de café, los telescopios grandes reúnen mucha más luz de la que tu ojo puede. Segundo, hay un instrumento unido al telescopio que ordena la radiación entrante por longitud de onda. En ocasiones la clasificación es bastante cruda. Por ejemplo, podríamos simplemente querer separar la luz azul de la luz roja para que podamos determinar la temperatura de una estrella. Pero en otras ocasiones, queremos ver líneas espectrales individuales para determinar de qué está hecho un objeto, o para medir su velocidad (como se explica en el capítulo Radiación y Espectros). Tercero, necesitamos algún tipo de detector, un dispositivo que detecte la radiación en las regiones de longitud de onda que hemos elegido y registre permanentemente las observaciones.

alt — Figura Región\(\PageIndex{1}\) Orión a Diferentes Longitudes de Onda. La misma parte del cielo se ve diferente cuando se observa con instrumentos que son sensibles a diferentes bandas del espectro. a) Luz visible: ésta muestra parte de la región de Orión tal como la ve el ojo humano, con líneas punteadas agregadas para mostrar la figura del mítico cazador, Orión. b) Rayos X: aquí, la vista enfatiza las fuentes puntuales de rayos X cercanas. Los colores son artificiales, cambiando de amarillo a blanco a azul con el aumento de la energía de los rayos X. Las estrellas brillantes y calientes de Orión todavía se ven en esta imagen, pero también lo son muchos otros objetos ubicados a distancias muy diferentes, incluyendo otras estrellas, cadáveres estelares y galaxias en el borde del universo observable. (c) Radiación infrarroja: aquí vemos principalmente el polvo resplandeciente en esta región.

La historia del desarrollo de telescopios astronómicos trata sobre cómo se han aplicado las nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia de estos tres componentes básicos: los telescopios, el dispositivo de clasificación de longitud de onda y los detectores. Veamos primero el desarrollo del telescopio.

Muchas culturas antiguas construyeron sitios especiales para observar el cielo (Figura\(\PageIndex{2}\)). En estos antiguos observatorios, podían medir las posiciones de los objetos celestes, principalmente para realizar un seguimiento de la hora y la fecha. Muchos de estos antiguos observatorios también tenían funciones religiosas y rituales. El ojo era el único dispositivo disponible para recoger luz, todos los colores de la luz se observaron a la vez, y el único registro permanente de las observaciones lo hicieron los seres humanos escribiendo o dibujando lo que vieron.

alt — Figura\(\PageIndex{2}\) Figura Dos Observatorios Pre-Telescópicos. a) Machu Picchu es un sitio inca del siglo XV ubicado en el Perú. (b) Stonehenge, un sitio prehistórico (3000—2000 a.C.), se encuentra en Inglaterra.

Si bien a Hans Lippershey, Zaccharias Janssen y Jacob Metius se les atribuye la invención del telescopio hacia 1608 —solicitando patentes con pocas semanas de diferencia— fue Galileo quien, en 1610, utilizó este sencillo tubo con lentes (al que llamó un spyglass) para observar el cielo y reunir más luz que la suya ojos solos podrían. Incluso su pequeño telescopio —utilizado durante muchas noches— revolucionó las ideas sobre la naturaleza de los planetas y la posición de la Tierra.

Cómo funcionan los telescopios

Los telescopios han recorrido un largo camino desde la época de Galileo. Ahora tienden a ser dispositivos enormes; los más caros cuestan cientos de millones a miles de millones de dólares. (Sin embargo, para proporcionar algún punto de referencia, tenga en cuenta que solo renovar los estadios de fútbol universitario generalmente cuesta cientos de millones de dólares, con la renovación reciente más cara, en Kyle Field de la Universidad Texas A&M, que cuesta 450 millones de dólares). La razón por la que los astrónomos siguen construyendo telescopios cada vez más grandes es que los objetos celestes, como planetas, estrellas y galaxias, envían mucha más luz a la Tierra de la que cualquier ojo humano (con su pequeña abertura) puede atrapar, y los telescopios más grandes pueden detectar objetos más débiles. Si alguna vez has visto las estrellas con un grupo de amigos, sabes que hay mucha luz estelar para dar la vuelta; cada uno de ustedes puede ver cada una de las estrellas. Si mil personas más estuvieran mirando, cada una de ellas también captaría un poco de la luz de cada estrella. Sin embargo, en lo que a ustedes concierne, la luz que no brilla en sus ojos se desperdicia. Sería genial que parte de esta luz “desperdiciada” también pudiera ser capturada y traída a tu ojo. Esto es precisamente lo que hace un telescopio.

Las funciones más importantes de un telescopio son (1) recoger la luz tenue de una fuente astronómica y (2) enfocar toda la luz en un punto o una imagen. La mayoría de los objetos de interés para los astrónomos son extremadamente débiles: cuanta más luz podamos recolectar, mejor podremos estudiar tales objetos. (Y recuerden, aunque primero nos estamos enfocando en la luz visible, hay muchos telescopios que recogen otro tipo de radiación electromagnética).

Los telescopios que recogen radiación visible utilizan una lente o espejo para recoger la luz. Otros tipos de telescopios pueden utilizar dispositivos colectores que se ven muy diferentes a las lentes y espejos con los que estamos familiarizados, pero que cumplen la misma función. En todos los tipos de telescopios, la capacidad de captación de luz está determinada por el área del dispositivo que actúa como el “cubo” de recolección de luz. Dado que la mayoría de los telescopios tienen espejos o lentes, podemos comparar su potencia de captación de luz comparando las aberturas, o diámetros, de la abertura a través de la cual la luz viaja o se refleja.

La cantidad de luz que un telescopio puede recoger aumenta con el tamaño de la abertura. Un telescopio con un espejo de 4 metros de diámetro puede recoger 16 veces más luz que un telescopio de 1 metro de diámetro. (El diámetro es cuadrado porque el área de un círculo es igual\(\pi d^2/4\), donde\(d\) está el diámetro del círculo).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Cálculo del área de captación de luz

¿Cuál es el área de un telescopio de 1 m de diámetro? ¿Una de 4 m de diámetro?

Solución

Usando la ecuación para el área de un círculo,

\[A= \frac{\pi d^2}{4} \nonumber\]

el área de un telescopio de 1 m es

\[\frac{\pi d^2}{4}= \frac{\pi (1 \text{ m})^2}{4}=0.79 ~ \text{m}^2 \nonumber\]

y el área de un telescopio de 4 m es

\[\frac{\pi d^2}{4} = \frac{ \pi (4 \text{ m})^2}{4}=12.6 \text{ m}^2 \nonumber\]

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Mostrar que la relación de las dos áreas es de 16:1.

Contestar

\[\frac{12.6 \text{ m}^2}{0.79 \text{ m}^2}=16. \nonumber\]

Por lo tanto, con 16 veces el área, un telescopio de 4 m recoge 16 veces la luz de un telescopio de 1 m.

Después de que el telescopio forme una imagen, necesitamos alguna forma de detectarla y grabarla para poder medir, reproducir y analizar la imagen de diversas maneras. Antes del siglo XIX, los astrónomos simplemente vieron imágenes con sus ojos y escribieron descripciones de lo que vieron. Esto fue muy ineficiente y no condujo a un registro a largo plazo muy confiable; sabes por programas de crimen en televisión que los relatos de testigos presenciales suelen ser inexactos.

En el siglo XIX, el uso de la fotografía se generalizó. En aquellos días, las fotografías eran un registro químico de una imagen sobre una placa de vidrio especialmente tratada. Hoy en día, la imagen generalmente se detecta con sensores similares a los de las cámaras digitales, se graba electrónicamente y se almacena en computadoras. Este registro permanente puede entonces ser utilizado para estudios detallados y cuantitativos. Los astrónomos profesionales rara vez miran a través de los grandes telescopios que utilizan para su investigación.

Formación de una Imagen por una Lente o un Espejo

Ya sea que uses o no anteojos, ves el mundo a través de lentes; son elementos clave de tus ojos. Una lente es una pieza transparente de material que dobla los rayos de luz que pasan a través de ella. Si los rayos de luz son paralelos a medida que entran, la lente los reúne en un solo lugar para formar una imagen (Figura\(\PageIndex{3}\)). Si las curvaturas de las superficies de las lentes son correctas, todos los rayos de luz paralelos (digamos, de una estrella) se doblan, o refractan, de tal manera que convergen hacia un punto, llamado foco de la lente. En el foco, aparece una imagen de la fuente de luz. En el caso de los rayos de luz paralelos, la distancia desde la lente hasta la ubicación donde se enfocan los rayos de luz, o imagen, detrás de la lente se denomina distancia focal de la lente.

alt — \(\PageIndex{3}\)Formación de la Figura de una Imagen por una Lente Simple. Los rayos paralelos de una fuente distante son doblados por la lente convexa para que todos se unan en un solo lugar (el foco) para formar una imagen.

Al mirar Figura\(\PageIndex{3}\), puede preguntarse por qué dos rayos de luz de una misma estrella serían paralelos entre sí. Después de todo, si dibujas un cuadro de estrella brillando en todas direcciones, los rayos de luz que vienen de la estrella no se ven paralelos en absoluto. Pero recuerda que las estrellas (y otros objetos astronómicos) están todos extremadamente lejos. Para cuando los pocos rayos de luz que apuntan hacia nosotros llegan realmente a la Tierra, son, a todos los efectos prácticos, paralelos entre sí. Dicho de otra manera, cualquier rayo que no fuera paralelo a los que apuntaban a la Tierra se dirige ahora en alguna dirección muy diferente en el universo.

Para ver la imagen formada por la lente en un telescopio, utilizamos una lente adicional llamada ocular. El ocular enfoca la imagen a una distancia que es directamente visible por un humano o en un lugar conveniente para un detector. Usando diferentes oculares, podemos cambiar el aumento (o tamaño) de la imagen y también redirigir la luz a una ubicación más accesible. Las estrellas parecen puntos de luz, y magnificarlas hace poca diferencia, pero la imagen de un planeta o una galaxia, que tiene estructura, a menudo puede beneficiarse de ser magnificada.

Mucha gente, al pensar en un telescopio, imagina un tubo largo con una lente de vidrio grande en un extremo. Este diseño, que utiliza una lente como elemento óptico principal para formar una imagen, como hemos estado discutiendo, se conoce como refractor (Figura\(\PageIndex{4}\)), y un telescopio basado en este diseño se llama telescopio refractario. Los telescopios de Galileo eran refractores, al igual que los prismáticos y las gafas de campo de hoy en día. Sin embargo, existe un límite en el tamaño de un telescopio refractario. El más grande jamás construido fue un refractor de 49 pulgadas construido para la Exposición de París 1900, y fue desmantelado después de la Exposición. Actualmente, el telescopio refractario más grande es el refractor de 40 pulgadas en el Observatorio Yerkes en Wisconsin.

alt — Telescopios Reflejantes y Reflejantes de Figuras\(\PageIndex{4}\) La luz ingresa a un telescopio refractario a través de una lente en el extremo superior, que enfoca la luz cerca de la parte inferior del telescopio. Un ocular entonces magnifica la imagen para que pueda ser vista por el ojo, o un detector como una placa fotográfica se puede colocar en el foco. El extremo superior de un telescopio reflectante está abierto, y la luz pasa a través del espejo ubicado en la parte inferior del telescopio. Luego, el espejo enfoca la luz en el extremo superior, donde se puede detectar. Alternativamente, como en este boceto, un segundo espejo puede reflejar la luz a una posición fuera de la estructura del telescopio, donde un observador puede tener un acceso más fácil a ella. Los telescopios profesionales de los astrónomos son más complicados que esto, pero siguen los mismos principios de reflexión y refracción.

Un problema con un telescopio refractario es que la luz debe pasar a través de la lente de un refractor. Eso significa que el vidrio debe ser perfecto en todo momento, y ha resultado muy difícil hacer grandes piezas de vidrio sin defectos y burbujas en ellas. Además, las propiedades ópticas de los materiales transparentes cambian un poco con las longitudes de onda (o colores) de la luz, por lo que hay alguna distorsión adicional, conocida como aberración cromática. Cada longitud de onda se enfoca en un punto ligeramente diferente, haciendo que la imagen aparezca borrosa.

Además, dado que la luz debe pasar a través de la lente, la lente solo puede ser soportada alrededor de sus bordes (al igual que las monturas de nuestras gafas). La fuerza de la gravedad hará que una lente grande se hunda y distorsione la trayectoria de los rayos de luz a medida que pasan a través de ella. Finalmente, debido a que la luz pasa a través de él, ambos lados de la lente deben fabricarse con precisión en la forma correcta para producir una imagen nítida.

Un tipo diferente de telescopio utiliza un espejo primario cóncavo como elemento óptico principal. El espejo es curvo como la superficie interna de una esfera, y refleja la luz para formar una imagen (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los espejos telescópicos están recubiertos con un metal brillante, generalmente plateado, aluminio u, ocasionalmente, dorado, para que sean altamente reflectantes. Si el espejo tiene la forma correcta, todos los rayos paralelos se reflejan de nuevo al mismo punto, el foco del espejo. Así, las imágenes son producidas por un espejo exactamente como son por una lente.

Los telescopios diseñados con espejos evitan los problemas de refractar telescopios. Debido a que la luz se refleja únicamente desde la superficie frontal, los defectos y burbujas dentro del vidrio no afectan la trayectoria de la luz. En un telescopio diseñado con espejos, solo se tiene que fabricar la superficie frontal con una forma precisa, y el espejo puede apoyarse desde la parte posterior. Por estas razones, la mayoría de los telescopios astronómicos actuales (tanto aficionados como profesionales) utilizan un espejo en lugar de una lente para formar una imagen; este tipo de telescopio se llama telescopio reflectante. El primer telescopio reflector exitoso fue construido por Isaac Newton en 1668.

En un telescopio reflectante, el espejo cóncavo se coloca en la parte inferior de un tubo o marco abierto. El espejo refleja la luz de nuevo por el tubo para formar una imagen cerca de la parte frontal en una ubicación llamada foco principal. La imagen se puede observar en el foco principal, o espejos adicionales pueden interceptar la luz y redirigirla a una posición donde el observador pueda verla más fácilmente (Figura\(\PageIndex{5}\)). Dado que un astrónomo en el foco principal puede bloquear gran parte de la luz que llega al espejo principal, el uso de un pequeño espejo secundario permite que más luz pase a través del sistema.

alt — Arreglos de\(\PageIndex{5}\) enfoque de figura para telescopios reflectantes. Los telescopios reflectantes tienen diferentes opciones para donde se enfoca la luz. Con el enfoque principal, la luz se detecta donde llega a un foco después de reflejarse desde el espejo primario. Con enfoque newtoniano, la luz es reflejada por un pequeño espejo secundario apagado hacia un lado, donde se puede detectar (ver también Figura\(\PageIndex{4}\)). La mayoría de los telescopios profesionales grandes tienen un foco Cassegrain en el que la luz es reflejada por el espejo secundario hacia abajo a través de un agujero en el espejo primario hasta una estación de observación debajo del telescopio.

ELEGIR TU PROPIO TELESCOPIO

Si el curso de astronomía que estás tomando te abre el apetito por explorar más el cielo, tal vez estés pensando en comprar tu propio telescopio. Muchos excelentes telescopios aficionados están disponibles, y se requiere un poco de investigación para encontrar el mejor modelo para sus necesidades. Algunas buenas fuentes de información sobre telescopios personales son las dos populares revistas estadounidenses dirigidas a astrónomos aficionados: Sky & Telescope y Astronomy. Ambos llevan artículos regulares con consejos, reseñas y anuncios de comerciantes de telescopios de renombre.

Algunos de los factores que determinan qué telescopio es el adecuado para usted dependen de sus preferencias:

¿Estarás montando el telescopio en un solo lugar y dejándolo ahí, o quieres un instrumento que sea portátil y pueda venir contigo en excursiones al aire libre? ¿Qué tan portátil debe ser, en términos de tamaño y peso?
¿Quieres observar el cielo solo con tus ojos, o quieres tomar fotografías? (La fotografía de larga exposición, por ejemplo, requiere un buen impulso de reloj para girar su telescopio y compensar la rotación de la Tierra).
¿Qué tipos de objetos estarás observando? ¿Te interesan principalmente cometas, planetas, cúmulos estelares o galaxias, o quieres observar todo tipo de vistas celestes?

Quizá aún no conozcas las respuestas a algunas de estas preguntas. Por esta razón, es posible que desee “probar” algunos telescopios primero. La mayoría de las comunidades tienen clubes de astronomía amateur que patrocinan fiestas estelares abiertas al público. Los miembros de esos clubes suelen saber mucho sobre telescopios y pueden compartir sus ideas contigo. Su instructor puede saber dónde se reúne el club de astronomía amateur más cercano; o, para encontrar un club cerca de usted, use los sitios web sugeridos en el Apéndice B.

Además, es posible que ya tengas un instrumento como un telescopio en casa (o tener acceso a uno a través de un familiar o amigo). Muchos astrónomos aficionados recomiendan comenzar tu levantamiento del cielo con un buen par de prismáticos. Estos se transportan fácilmente y pueden mostrarte muchos objetos que no son visibles (o claros) a simple vista.

Cuando esté listo para comprar un telescopio, es posible que le resulten útiles las siguientes ideas:

La característica clave de un telescopio es la apertura del espejo o lente principal; cuando alguien dice que tiene un telescopio de 6 o 8 pulgadas, significa el diámetro de la superficie colectora. Cuanto mayor sea la abertura, más luz podrás reunir y más débiles son los objetos que puedes ver o fotografiar.
Los telescopios de una abertura dada que usan lentes (refractores) suelen ser más caros que los que usan espejos (reflectores) porque ambos lados de una lente deben pulirse con gran precisión. Y, debido a que la luz pasa a través de él, la lente debe estar hecha de vidrio de alta calidad en todas partes. Por el contrario, solo la superficie frontal de un espejo debe pulirse con precisión.
La ampliación no es uno de los criterios en los que basar su elección de telescopio. Como comentamos, la ampliación de la imagen la realiza un ocular más pequeño, por lo que la ampliación se puede ajustar cambiando los oculares. Sin embargo, un telescopio magnificará no sólo el objeto astronómico que estás viendo sino también la turbulencia de la atmósfera terrestre. Si el aumento es demasiado alto, tu imagen brillará y temblará y será difícil de ver. Un buen telescopio vendrá con una variedad de oculares que se mantienen dentro del rango de ampliación útil.
El montaje de un telescopio (la estructura sobre la que descansa) es uno de sus elementos más críticos. Debido a que un telescopio muestra un pequeño campo de visión, que se magnifica significativamente, incluso la vibración o discordancia más pequeña del telescopio puede mover el objeto que está viendo alrededor o fuera de su campo de visión. Un soporte robusto y estable es esencial para una visión seria o fotografía (aunque claramente afecta lo portátil que puede ser su telescopio).
Un telescopio requiere cierta práctica para configurarlo y usarlo de manera efectiva. No esperes que todo salga a la perfección en tu primer intento. Tómate un tiempo para leer las instrucciones. Si un club local de astronomía amateur está cerca, úselo como recurso.

Resumen

Un telescopio recoge la tenue luz de fuentes astronómicas y la lleva a un foco, donde un instrumento puede ordenar la luz según la longitud de onda. Luego se dirige la luz a un detector, donde se realiza un registro permanente. El poder de captación de luz de un telescopio está determinado por el diámetro de su apertura, o apertura, es decir, por el área de su lente o espejo más grande o primario. El elemento óptico primario en un telescopio es una lente convexa (en un telescopio refractario) o un espejo cóncavo (en un reflector) que lleva la luz a un foco. La mayoría de los telescopios grandes son reflectores; es más fácil fabricar y soportar espejos grandes porque la luz no tiene que pasar a través del vidrio.

Glosario

apertura: diámetro de la lente primaria o espejo de un telescopio

aberración cromática: distorsión que hace que una imagen aparezca borrosa cuando cada longitud de onda que entra en un material transparente se enfoca en un punto diferente

detector: dispositivo sensible a la radiación electromagnética que hace un registro de observaciones astronómicas

ocular: lente de aumento utilizada para ver la imagen producida por la lente objetivo o espejo primario de un telescopio

enfoque: (del telescopio) punto donde los rayos de luz convergen por un espejo o lente se encuentran

enfoque principal: apuntar en un telescopio donde la lente objetivo o el espejo primario enfoca la luz

telescopio reflectante: telescopio en el que el colector de luz principal es un espejo cóncavo

telescopio refractario: telescopio en el que el colector de luz principal es una lente o sistema de lentes

telescopio: instrumento para recoger la luz visible u otra radiación electromagnética