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Gli strumenti astronomici: grandezze e relazioni

Ogni telescopio è contraddistinto da grandezze e relazioni, spesso molto semplici, che vanno capite e comprese fino in fondo. Vediamo le principali

Lunghezza focale: ogni telescopio è costituito da un obiettivo, a lente o specchio, più o meno complesso. Il ruolo dell'obiettivo è quello di concentrare i

Schema di un generico telescopio, con l'obiettivo, che non necessariamente si trova all'estremità superiore del tubo, del piano focale, del fuoco, dell'asse ottico. Poco dopo il punto focale si posiziona l'oculare per l'osservazione.

raggi luminosi in un punto, detto punto di fuoco, che giace su un piano, detto piano focale. La distanza tra l'obiettivo e il piano focale è fissata per ogni strumento e viene identificata come lunghezza focale. Prendere una lente di ingrandimento, lasciateci passare la luce proveniente dall'esterno o da un lampadario, e dall'altra parte ponete uno schermo bianco (anche un foglio va bene). Avvicinate e allontanate la lente dal foglio; ad un certo punto noterete che su di esso si forma l'immagine, rimpicciolita e capovolta dell'oggetto i cui raggi attraversano la lente: avete trovato il punto focale. La distanza tra la lente e questo punto è la distanza focale o semplicemente la focale della lente. I telescopi, sebbene più complessi, funzionano allo stesso modo: la distanza focale è la distanza alla quale si forma l'immagine. L'immagine che si può osservare è piccola e capovolta, e non si può vedere direttamente, ma solo proiettata su uno schermo; per renderla fruibile all'occhio umano si inseriscono gli oculari, che la ingrandiscono di una quantità a piacere. Non sempre la lunghezza focale del telescopio coincide con la lunghezza del tubo; questo è vero nelle configurazioni ottiche più semplici quali il rifrattore (composto solo da lenti) e il riflettore Newtoniano (composto da due specchi). Esistono configurazioni ottiche più complesse in grado di fornire una lunga focale con una corta lunghezza del tubo, a causa della presenza di specchi in grado di variare la focale equivalente.

Diametro dell'obiettivo: l'obiettivo è facile da riconoscere nei telescopi rifrattori, i quali utilizzano un sistema di lenti simile all'obiettivo di una macchina fotografica. Esistono, tuttavia, molte altre combinazioni, che fanno uso anche di specchi, nelle quali è difficile identificare l'obiettivo. Nei telescopi di tipo Newton abbiamo, ad esempio due specchi: uno, più grande, di forma parabolica, posto in fondo al tubo, ed un altro, più piccolo e piano, posto quasi all'inizio, dove nei telescopi rifrattori si trova l'obiettivo. L'obiettivo di questo strumento è lo specchio grande posto in fondo al tubo, detto, per questo specchio primario. Ogni strumento, per quanto complicato sia, possiede uno specchio primario, che fa le funzioni dell'obiettivo dei telescopi a lenti. Il diametro dell'obiettivo costituisce, in prima approssimazione, la potenza di ogni telescopio: maggiore è il diametro, maggiore è la luce raccolta, maggiore è il potere risolutivo. Potere risolutivo e quantità di luce raccolta sono le uniche caratteristiche che identificano la potenza di un telescopio. Per poter sfruttare queste caratteristiche, soprattutto il potere risolutivo, che è la possibilità di vedere piccoli dettagli, è necessario ingrandire l'immagine, altrimenti il nostro occhio non è in grado di sfruttare il potenziale dello strumento. L'ingrandimento non varia in alcun modo il potere risolutivo dello strumento, ma cerca solamente di renderlo sfruttabile in pieno dall'occhio umano

Ingrandimento: l'ingrandimento di ogni strumento si ottiene inserendo, poco prima del piano focale dello strumento, un accessorio chiamato oculare, in grado di far vedere all'occhio le immagini fornite dal telescopio. Senza oculare non è possibile osservare al telescopio, ma è possibile, ad esempio, fare fotografie. L'ingrandimento si calcola dalla semplice formula I=Ftel/Foc, dove Ftel è la focale del telescopio, Foc quella dell'oculare, entrambe espresse in millimetri (mm). Un telescopio con una focale di 1000mm (1 metro) utilizzato con un oculare dalla focale di 10mm, fornisce esattamente 100 ingrandimenti (si scrive 100X e si legge 100 per). Per osservare gli oggetti del cielo profondo non sono necessari ingrandimenti sostenuti, spesso compresi tra le 50 e le 100 volte. Per i pianeti occorrono ingrandimenti maggiori, in funzione anche della turbolenza atmosferica. In ogni caso oltre un ingrandimento pari a 3 volte il diametro dell'obiettivo espresso in mm, non si ha più alcun guadagno, anzi, l'immagine comincia a perdere qualità. C'è un limite all'ingrandimento massimo, quindi, che dipende dal diametro del proprio strumento.

Rapporto focale: Il rapporto tra la lunghezza focale e il diametro dello strumento si chiama rapporto focale e si esprime con la lettera f . Un telescopio di 100mm di diametro e 1000mm di lunghezza focale ha un rapporto focale f=1000/100=10, cioè f10. Il rapporto focale esprime la luminosità solamente FOTOGRAFICA di ogni strumento. Maggiore è questo valore, minore è la luminosità strumentale. La luminosità, espressa in questo modo, è una caratteristica di ogni obiettivo fotografico ed è utile solamente per la fotografia. Uno strumento aperto a f4 ed uno aperto a f6 necessitano di tempi di esposizione diversi per ottenere una fotografia con la stessa profondità. Uno strumento con f bassi (4-5) si dice molto aperto o molto luminoso, poiché il suo diametro è solamente 4-5 volte inferiore alla lunghezza focale. Uno strumento con f alti (10-15) si dice chiuso, poiché il diametro è 10-15 volte inferiore alla focale: il telescopio appare molto lungo e sottile. La luminosità non influenza MAI l'osservazione visuale in modo diretto poiché si osserva con l'oculare e un ingrandimento, ad esempio, di 100X è lo stesso per ogni strumento, sia esso ad f4 o f 15!. Le cose sono molto diverse in fotografia, dove un telescopio aperto a f4 richiede tempi di esposizione, per raggiungere un certo dettaglio, decine di volte inferiori rispetto ad un identico strumento chiuso a f15.

Oculari: in commercio esistono decine di oculari, di focali diverse e con schemi ottici diversi, alcuni molto complessi e costosi, in grado di restituire immagini perfette e dal grande campo. Prima di parlare degli schemi ottici degli oculari, è bene chiarire che essi, per l'astrofilo osservativo, sono importantissimi: un ottimo oculare permette di sfruttare in pieno le potenzialità dello strumento, uno mediocre introduce difetti (aberrazioni) che non permettono di sfruttare lo strumento: in astronomia la qualità risultante dell'immagine viene determinata dall'elemento qualitativamente meno performante. Se avete un telescopio super-professionale ma lo usate con un oculare giocattolo, non riuscirete mai ad avere le immagini perfette che è in grado di fornirvi lo strumento. In commercio esistono 3 standard di oculari, contraddistinti dal diametro del barilotto: 24,5mm, 31,8mm, 50,8mm. Tutti gli oculari in commercio hanno uno di questi diametri. Ogni oculare con lo standard 31,8mm (il più diffuso) si può utilizzare su ogni telescopio con portaoculari di questo diametro: questi sono i dati da controllare per vedere se un oculare va bene per il proprio strumento. generalmente lo standard da 24,5 mm è usato su telescopi giocattoli ed è quasi scomparso. Gran parte dei telescopi amatoriali accetta oculari con un diametro di 31,8mm, mentre quelli più avanzati e costosi accettano anche oculari da 50,8mm, ma solitamente questa è una opzione compatibile con lo standard da 31,8 mm. E' facile intuire che maggiore è il diametro dell'oculare, maggiore sarà il campo abbracciato, ma questo non è un grandissimo problema, anche perché gli oculari da 50,8 sono più costosi di quelli da 31,8. A prescindere dal diametro, ogni oculare possiede una combinazione di lenti per produrre un'immagine nitida e pulita. La potenza di ogni oculare si identifica con la sua lunghezza focale, che fornisce direttamente indicazioni sull'ingrandimento e sulla pupilla d'uscita e con il suo campo apparente, che tra poco vedremo. Gli schemi utilizzati per costruire oculari sono diversi; alcuni sono molto semplici ed economici, ma dalla scarsa qualità; altri sono molto complessi, forniscono immagini superbe ma sono molto costosi. Fortunatamente, un oculare, al contrario del telescopio, che può essere sostituito, è per sempre: tutti gli oculari possono essere utilizzati con tutti i telescopi, a patto di avere un diametro compatibile con lo strumento (ma questo non è un vero problema poiché ci sono tutti gli adattatori necessari in commercio).

Schema dei principali oculari attualmente in commercio e di una tipica lente di barlow, in grado di moltiplicare, generalmente per 2, la focale del telescopio, ovvero l'ingrandimento con un certo oculare

Schema de due delle tre grandezze che caratterizzano la qualità degli oculari: la pupila d'uscita e l'estrazione pupillare. La terza variabile è il campo apparente.

Lo schema ottico più semplice è quello di Huygens, inventato dal fisico olandese nel diciassettesimo secolo, per questo il più antico e semplice. Questo schema ottico è molto economico ma fornisce immagini buone solamente al centro del campo, peraltro piuttosto ridotto: da utilizzare solamente per strumenti molto economici. E' composto da due semplici lenti piano-convesse (da una parte piane, dall'altra convesse). Questo schema soffre di aberrazione sferica, cioè un difetto che tende a rendere sfuocata ed impastata l'immagine, soprattutto ad alti ingrandimenti. L'evoluzione dello schema Huygens è il Ramsden, che, utilizzando lenti aggiuntive, riesce a fornire immagini qualitativamente migliori. Lo schema inventato dal fabbricante di strumenti inglese, corregge l'aberrazione sferica, ma introduce quella cromatica, che si manifesta come un bordo colorato attorno a tutti gli oggetti osservati. Schemi ottici più recenti e più performanti sono sicuramente l'ortoscopico e il Ploss. L'ortoscopico è molto adatto per avere ottime cisioni di oggetti a piccolo campo, quali i pianeti, davvero insuperabile in queste applicazioni. I Ploss, sebbene non eccelsi, sono al momento il miglior compromesso tra spesa e qualità, offrendo buone immagini soprattutto degli oggetti del cielo profondo, grazie ad una correzione buona su tutto il campo e ad un campo apparente generoso, molto maggiore degli ortoscopici. I Ploss, quindi, sono gli oculari perfetti per iniziare. Esistono molti altri schemi molto più complicati e costosi, che però non trovano giustificazione nell'astrofilo principiante.

Pupilla d'uscita: E' una grandezza che esprime il diametro del fascio luminoso in uscita dall'oculare di ogni telescopio. La pupilla d'uscita è molto importante per le osservazioni di oggetti poco luminosi, quali nebulose e galassie. Il nostro occhio ha una pupilla del diametro massimo di 0,6-0,8 mm, quando adattata al buio. Se dall'oculare del telescopio esce un fascio dal diametro maggiore, non tutta la luce raggiungerà il nostro occhio e , di fatto, si ha una perdita di luminosità; è come se si osservasse con un telescopio di diametro minore. E' assolutamente necessario che la pupilla d'uscita non sia MAI più grande della pupilla dell'occhio. La pupilla d'uscita si calcola con la semplice relazione: P=D/I, dove D è il diametro dell'obiettivo del telescopio (in mm) ed I è l'ingrandimento. Si definisce ingrandimento minimo quello per il quale la pupilla d'uscita ha un diametro di circa 7mm; esso si ottiene dalla semplice formula: Imin=D/7. Se la dilatazione massima della pupilla è di 6 mm, invece che 7, allora si ha: Imin=D/6. Generalmente, per soggetti adulti e non troppo adattati al buio (come purtroppo succede in presenza di inquinamento luminoso), la formula può essere arrotondata a Imin=D/5. Uno strumento da 200mm di diametro può essere utilizzato all'ingrandimento minimo di 200/5=40X. E' possibile usare un ingrandimento più modesto, ma non tutto il fascio in uscita dall'oculare verrà intercettato e si avrà una perdita di luminosità

Estrazione pupillare: una grandezza poco conosciuta ma molto importante. L'estrazione pupillare rappresenta la distanza massima tra l'occhio e la prima lente dell'oculare, affinché l'osservatore possa osservare tutto il campo inquadrato. E' esperienza comune che se ci mettiamo lontano da una piccola apertura, come il buco di una serratura, vediamo un campo estremamente ridotto. Mano a mano che ci avviciniamo, il campo inquadrato aumenta, fino ad una certa distanza, detta estrazione pupillare, nel quale il campo è limitato non più dalla distanza, bensì dall'oculare o dall'apertura della serratura. Un'ottima estrazione pupillare permette di fare osservazioni più comode, evitando di stare con l'occhio attaccato alla lente dell'oculare. L'estrazione pupillare dipende dalla lunghezza focale dell'oculare e dal suo campo apparente. Generalmente, oculari con focali corte hanno piccole estrazioni pupillari (dell'ordine di qualche millimetro), per questo si tende a preferire l'uso di lenti di barlow, che consentono di raggiungere alti ingrandimenti con oculari dalla focale doppia, ovvero, da una maggiore estrazione pupillare

Campo apparente e reale: Guardando attraverso tutti gli oculari noterete come il campo inquadrato è ridotto ed è minore del campo inquadrato dall'occhio umano, che è oltre di 180°. Ogni oculare possiede un certo valore di campo apparente, dipendente dallo schema ottico e dal modo in cui è stato costruito. I migliori oculari hanno campi apparenti di oltre 80°, mentre quelli più economici, come gli Huygens, raramente superano i 40°. Il campo apparente è molto importante per il campo reale, cioè per l'angolo di campo che è possibile osservare direttamente al telescopio. Il campo reale si trova dal semplice rapporto: Campo apparente/Ingrandimento. Così, un oculare da 60° di campo apparente, utilizzato su un telescopio che fornisce 60 ingrandimenti, fornirà un campo reale pari a 60°/60X= 1°: questa è la porzione di cielo inquadrata dall'oculare. Il campo apparente e quindi quello reale, sono molto importanti quando si osservano oggetti molto estesi, come tutti quelli deep-sky o la Luna. Per questi oggetti un oculare dal grande campo apparente fornisce visioni altamente spettacolari, molto diverse dalle visioni simili ad un buco di serratura che offrono gli oculari più economici.