Telescopios Y Estrellas

TELESCOPIOS Y ESTRELLAS Autor: DANIEL MALACARA / JUAN MANUEL MALACARA COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES PREFACIO PRÓLOGO I. LOS TELESCOPIOS II. CÓMO FUNCIONA EL TELESCOPIO III. LOS TELESCOPIOS ASTRONÓMICOS IV. LOS TELESCOPIOS TERRESTRES V. MONTURAS Y RELOJES PARA TELESCOPIOS ASTRONÓMICOS VI. CONSTRUCCIÓN DE UN PEQUEÑO TELESCOPIO REFLECTOR VII. FOTOGRAFÍA CON UN TELESCOPIO PEQUEÑO APÉNDICE REFERENCIAS COLOFÓN CONTRAPORTADA

COMITÉ DE SELECCIÓN Dr. Antonio Alonso Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Jorge Flores Dr. Leopoldo García-Colín Dr. Tomás Garza Dr. Gonzalo Halffter Dr. Guillermo Haro † Dr. Jaime Martuscelli Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Juan José Rivaud Dr. Emilio Rosenblueth † Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Coordinadora Fundadora: Física Alejandra Jaidar † Coordinadora: María del Carmen Farías

EDICIONES Primera edición, 1988 Cuarta reimpresión, 1995 La Ciencia desde México es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. D.R. © 1988, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA, S. A. DE C. V. D.R. © 1995, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 México, D.F. ISBN 968-16-2862-4 Impreso en México

PREFACIO Desde su descubrimiento, los telescopios han desempeñado un papel muy importante en las actividades del hombre, tanto científicas como militares o simplemente de esparcimiento. El propósito de este libro es presentar al lector una descripción somera de la historia del telescopio y los avances tecnológicos posteriores que lo han perfeccionado cada vez más. El contenido del libro está dirigido a todos aquellos interesados en la historia de la ciencia o en la óptica. En especial, este libro puede ser de interés para los astrónomos aficionados que poseen o piensan pronto tener un telescopio y desean entender cabalmente su funcionamiento. Se describen en este libro los fundamentos científicos en que se basa el funcionamiento del telescopio y se mencionan las fórmulas más importantes para su diseño y uso más eficiente. Finalmente, se dan las instrucciones para la construcción y evaluación de un pequeño telescopio newtoniano para aficionados. Los autores desean agradecer la ayuda de gran número de personas que de una manera u otra han facilitado su labor. Las sugerencias del señor José Castro V. y el maestro en ciencias Arquímedes Morales han sido muy valiosas. En especial se agradece la ayuda del señor Raymundo Mendoza Arce con la elaboración de los dibujos y del señor Fidel Sosa, que llevó a cabo mucho del trabajo fotográfico. Por último, pero no con menos importancia, deseamos expresar nuestro agradecimiento por el gran estímulo y apoyo que hemos recibido de toda nuestra familia.

PRÓLOGO En la actualidad, no es incorrecto afirmar que un país entra de lleno y con bases propias en la carrera tecnológica cuando ese país compite ya en el campo de la óptica. La afirmación anterior se justifica recurriendo a la estadística histórica que así nos lo demuestra: en el siglo XIX, países como Alemania, Francia, e Inglaterra en Europa y los Estados Unidos de América, tomaron la vanguardia del desarrollo tecnológico paralelamente a haber conseguido un prestigio industrial fuertemente apoyado en la calidad (y cantidad) de su producción en el área de la óptica; los demás países tomaron como fundamento la excelencia de los instrumentos ópticos producidos por los primeros y dedujeron que otro tanto debería ocurrir, en cuanto a ella, en los demás campos de sus industrias. Baste recordar a la firma Zeiss, fundada en Alemania en 1846, cuya producción instrumental en óptica pronto gana primacía; en Francia, las fábricas Saint-Gobain, convertidas en sociedad anónima en 1834, consiguen fabricar discos del cristal de mayor perfección jamás lograda y de ellos resultan los objetivos de los telescopios de Lick y Yerkes, los más potentes de aquel siglo; en Inglaterra, fabricantes de telescopios y otros instrumentos ópticos triunfan basados en los objetivos acromáticos patentados por Dollond a fines del siglo XVIII y en los Estados Unidos, los objetivos para telescopios refractores construidos por la familia Alvan Clark a partir de 1855, son probados por Dawes en Inglaterra y conquistan, por su insuperable calidad, a toda Europa. Sin embargo, es imposible desarrollar una industria óptica propia si no se cuenta con dos factores esenciales: un cuerpo de científicos y tecnólogos que domine, practique y comunique los conocimientos de la especialidad, y una estructura capaz de proporcionar los materiales los técnicos de la más alta calidad, para llevar a la práctica proyectos industriales valiosos. Cuando se cuenta con estos factores en el campo de la óptica, es seguro que también se cuenta con ellos en los demás campos del quehacer científico y tecnológico. El comienzo de una industria óptica en un país en vías de desarrollo, como es el caso de México y muchos otros países de América, no puede ocurrir por la aparición espontánea de las condiciones favorables, dado que éstas tardarían aún lustros en darse. Nuestros países no han perdido la carrera; simplemente no han empezado a correr todavía. El fundamento para iniciarla lo constituye la preparación científica y técnica de un poderoso equipo que, aprovechando la experiencia de los que antes empezaron, dé el impulso para iniciar un tardío arranque y se mantenga para consolidarlo. Ese primer grupo motor se ha dado en la familia Malacara, de la que surge el primer doctor en óptica de México y cuyo interés teórico y práctico le impulsa a formar escuela y a trabajar para sentar las bases de una industria óptica mexicana. Pronto se adhieren a este grupo otros estudiosos que, con igual entusiasmo, inician la consolidación y comienzan a construir, por una parte, la óptica del primer sistema Cassegrain hecho en México, y por la otra, a fines de los 60, los primeros equipos láser de He-Ne. Con estos logros de carácter práctico y con su famoso libro Optical Shop Testing, utilizado como texto en los paises de habla inglesa, el doctor Daniel Malacara ha dado a México internacionalidad y prestigio. He mencionado a la familia Malacara porque en ella se ha dado también la continuidad que hace posible el triunfo: los padres del doctor supieron comunicarle, a su debido tiempo, esos valores que conducen al éxito. Ya doctorado, Daniel supo formar su propio hogar y trasmitir aquellos valores que, sumados a los de su propia experiencia, han cundido en la tercera generación; así tenemos a Juan Manuel Malacara colaborando con su padre en la realización de este libro, con la alegría y el ímpetu propios de la juventud. Los temas que se tratan aquí están perfectamente explicados, en un español claro, agradable y conciso, y la técnica, la matemática y la historia se enlazan con gracia y sencillez; aprendemos de telescopios y de quienes los idearon. La realización de este libro constituye un elemento de los más importantes para difundir el interés por la óptica, utilizando uno de los caminos más bellos y accesibles de la ciencia, que es la astronomía. En efecto, la observación del macrouniverso está al alcance de todos. Aquél que se aficiona a la astronomía, pronto desea tener su propio telescopio y aquí el lector encontrará los conocimientos de óptica fundamentales para construirlo y para poder seguir adelante, ya que la terminación del primer telescopio abre el camino hacia el fascinante ámbito de la óptica, donde hay un futuro garantizado en un país que desea iniciar una carrera tecnológica propia. JOSÉ DE LA HERRÁN

I. LOS TELESCOPIOS ORíGENES DEL TELESCOPIO LA HISTORIA del telescopio es una de las más interesantes e importantes en la trayectoria de la evolución de la ciencia. Gracias a este instrumento se han logrado descubrimientos científicos maravillosos que más tarde se describirán en este libro. El interés sobre el telescopio se despertó intensamente tan pronto se le descubrió, pues le dio al hombre algo de sensación de poder al permitirle observar lo que sucedía a distancias grandes de él y ampliar así su campo de acción. Esto es rigurosamente cierto, ya que el conocimiento humano estaba confinado a los límites terrestres, pero con las primeras observaciones astronómicas se amplió a todo el Sistema Solar, y más tarde a todo el Universo. A fin de comprender bien los hechos que condujeron a su invención, debemos primero examinar los orígenes de la óptica. Quizá la primera lente que hubo en el mundo fue la que Construyó Aristófanes con un globo de vidrio soplado, lleno de agua, en el año 424 a.C. Sin embargo, la construcción de ésta no tenía el propósito de amplificar imágenes, sino de concentrar la luz solar. Naturalmente, el interés en el fenómeno de la refracción de la luz se había despertado desde mucho antes; los primeros estudios experimentales los realizó Alhazen en Arabia, alrededor del año 1000 a.C. Estos estudios fueron realmente primitivos, y no lograron llegar a descubrir la ley física que gobierna la luz. Después del globo de Aristófanes tuvieron que pasar casi 1 500 años, hasta que en el año 1200 d.C. el fraile franciscano inglés Roger Bacon talló los primeros lentes con la forma de lenteja que ahora conocemos. En su libro Opus maius, Bacon describe muy claramente las propiedades de una lente para amplificar la letra escrita. El siguiente paso obvio era montar las lentes en una armazón que permitiera colocar una lente en cada ojo con el fin de mejorar la vista de las personas con visión defectuosa. Esto se hizo en Italia casi un siglo después, entre los años 1285 y 1300 d.C. Queda, sin embargo, la duda de si fue Alexandro della Spina, monje dominico de Pisa, o su amigo Salvino de Armati, de Florencia. La historia del telescopio propiamente dicha comienza a fines del siglo XVI o principios del XVII. Se han mencionado tres posibles inventores. El primero de ellos es el italiano Giambattista della Porta, quien en 1589 hizo en su libro De magiae naturalis una descripción que parece ser la de un telescopio. Sin embargo, la mayoría de los historiadores creen que no fue él el descubridor, aunque quizá estuvo a punto de serlo. Otro posible inventor que se ha mencionado es Zacarias Jansen, en 1590, en Holanda, pues se han encontrado escritos donde se afirma esto. Sin embargo, hay serias razones basadas en la personalidad de Jansen para creer que son afirmaciones falsas. El más probable descubridor es el holandés Hans Lippershey, quien según cuidadosas investigaciones históricas se ha confirmado que construyó un telescopio en el año de 1608. Lippershey era fabricante de anteojos en Middlesburgh, Zelandia, y nativo de Wesel. No era muy instruido, pero a base de ensayos descubrió que con dos lentes, una convergente lejos del ojo y una divergente cerca de él, se veían más grandes los objetos lejanos. Llegó incluso a solicitar una patente, pero por considerarse que el invento ya era del dominio público, no le fue otorgada. Esta negativa fue afortunada para la ciencia, pues así se difundió más fácilmente el descubrimiento. Como es de suponerse, Lippershey no logró comprender cómo funcionaba este instrumento, pues lo había inventado únicamente a base de ensayos experimentales sin ninguna base científica. El gobierno holandés regaló al rey de Francia dos telescopios de Lippershey. Estos instrumentos se hicieron tan populares que en abril de 1609 ya podían comprarse en las tiendas de los fabricantes de lentes de París.

Figura 1. Galileo Galilei Linceo (1564-1642). (Copia al óleo de Zacarías Malacara M. )

Figura 2. Willebrord Snell (1591-1626). (Copia al óleo de Zacarías Malacara M.) LOS TRABAJOS DE GALILEO Galileo Galilei (Figura 1) se enteró de la invención de Lippershey en mayo de 1609, cuando tenía la edad de 45 años y era profesor de matemáticas en Padua, Italia. Estaba en Venecia cuando oyó de esta invención, así que inmediatamente regresó a Padua, y antes de 24 horas había construido su primer telescopio, con lentes que encontró disponibles. Este instrumento consistía simplemente en dos lentes simples, una plana convexa y una bicóncava, como se muestra en la figura 3(a), colocadas en los extremos de un tubo de plomo, el cual tenía una amplificación tan sólo de 3X. Los resultados fueron tan alentadores para Galileo que inmediatamente se dio a la tarea de construir otro con una amplificación de ocho. El 8 de agosto de 1609 Galileo invitó al Senado veneciano a observar con su telescopio desde la torre de San Marcos y más tarde se lo regaló, con una carta en la que les explicaba su funcionamiento. Sus amigos en Venecia se quedaron maravillados, pues con el telescopio podían ver naves situadas tan lejos que transcurrían dos horas antes de que se pudieran ver a simple vista. Era evidente la utilidad de este instrumento en tiempos de guerra, pues así era más fácil descubrir posibles invasiones por mar. El Senado de Venecia, en agradecimiento, duplicó a Galileo el salario a 1 000 escudos al año y lo nombró profesor vitalicio de Padua, ciudad perteneciente a Venecia.

Figura 3. Esquema óptico del anteojo de Galileo. (a) Pupila de salida sobre el objetivo. (b) Pupila de salida sobre la pupila del ojo . A diferencia de Lippershey, Galileo comprendió un poco mejor cómo funcionaba el telescopio, lo cual le permitió construir uno con amplificación de 30X. Este telescopio se encuentra ahora en el Museo de Historia de la Ciencia en Florencia. Con él pudo descubrir en Padua los satélites de Júpiter y los cráteres de la Luna. La desventaja de este instrumento es que su campo era tan pequeño que abarcaba apenas un poco menos que la cuarta parte del diámetro de la Luna. En julio de 1610 observó Saturno, pero no pudo ver bien los anillos y tuvo la impresión de que el planeta estaba en realidad formado por tres grandes cuerpos en línea: Al cambiar la orientación del anillo y quedar de perfil, los dos cuerpos laterales desaparecieron, lo que no pudo entender Galileo. Fue hasta 40 años después cuando Huygens, en Holanda, descubrió que en realidad se trataba de un anillo. Más tarde, en Florencia, Galileo descubrió las fases cambiantes de Venus. En marzo de 1610, en Venecia, publica Galileo un pequeño libro de tan sólo 24 hojas, titulado Sidereus nuncius, que significa "El mensajero de las estrellas", en el que describe sus observaciones astronómicas con el telescopio. En él usa Galileo un lenguaje muy claro y directo poco común en su época, que hacía marcado contraste con el exuberante y barroco estilo de la época. Este librito tiene una gran repercusión y popularidad que aumenta mucho la fama de Galileo. Es importante, sin embargo, hacer notar que los descubrimientos que se anunciaban no eran todos originales ni todos exactos. Galileo no era el primero ni el único científico en haber dirigido su telescopio al

cielo, pero si el primero en publicar sus observaciones. Gracias a su lenguaje claro, este librito, que se podía leer en tan sólo una hora, logró una popularidad mucho mayor que la de cualquier otro libro científico de la época. Johannes Kepler, astrónomo alemán de gran reputación en Europa, recibió una copia de "El mensajero de las estrellas" de manos del embajador toscano en Praga, con una solicitud indirecta de Galileo de que le diera su opinión sobre el libro. Kepler no poseía ningún telescopio, por lo que no estaba en posibilidad de confirmar directamente los descubrimientos de Galileo. Sin embargo, basado en la reputación de Galileo, Kepler creyó todo lo que ahí se decía, por lo que se mostró muy entusiasta. En una carta muy amable y elogiosa contestó Kepler a Galileo, rogándole que le prestara un telescopio para repetir las observaciones y ofreciéndole ser su escudero. Galileo no sólo no le prestó el telescopio sino que ni siquiera le contestó su carta. En marzo de 1611 Galileo fue a Roma a mostrar su telescopio a las autoridades eclesiásticas. Como resultado, fue invitado a ingresar a la selecta Accademia dei Lincei (ojos de lince), presidida por el príncipe Federico Cesi, y ofrecieron un banquete muy importante en su honor. Cuando llegaron los invitados, observaron a través del telescopio lo que había a varios kilómetros de distancia. Después de la cena observaron a Júpiter con sus satélités. Más tarde desmanteló el telescopio para que todos pudieran ver las dos lentes que lo formaban. A este instrumento le habían dado el nombre en latín de perspícíllum o instrumentum, pero se dice que fue en este banquete cuando públicamente el príncipe Cesi introdujo la palabra telescopio. Galileo fue bien recibido en Roma, con los máximos honores. El cardenal Del Monte escribió en una carta: "Si aún estuviéramos viviendo en la antigua República de Roma, creo realmente que habría una columna en la capital erigida en honor de Galileo." Se entrevistó primero con el cardenal Barberini, que más tarde sería el papa Urbano VIII; también se entrevistó con el papa Paulo V, en una audiencia muy amistosa. En junio de ese año, Galileo descubrió las manchas en el Sol, y con ello su periodo de rotación, proyectando la imagen en una pantalla para evitar lastimarse los ojos. Hasta 1611 no se habían manifestado en Roma problemas teológicos por los descubrimientos de Galileo. Por el contrario, los astrónomos jesuitas, que eran la punta de lanza intelectual de la Iglesia católica, confirmaron con sus observaciones, y aun ampliaron y mejoraron, los descubrimientos de Galileo. Es justo mencionar aquí que las observaciones de Galileo ciertamente demostraban que el sistema geocéntrico de Tolomeo estaba equivocado, pero no podían demostrar si el sistema correcto era el de Ticho Brahe (ticónico) o el de Nicolás Copérnico (copernicano). Recordemos que el sistema de Tolomeo suponía a la Tierra en el centro y al Sol y los planetas girando alrededor de ella, en órbitas circulares. El sistema ticónico suponía también que la Tierra estaba fija, con el Sol moviéndose alrededor de ella, pero los demás planetas se movían alrededor del Sol. Éste es obviamente un sistema intermedio entre el tolemaico y el copernicano. Algunos movimientos oscilatorios de los planetas, y la ausencia de un paralaje que no se había podido detectar, no se podían explicar con el sistema copernicano, pero sí con el ticónico. Estos movimientos quedan perfectamente explicados sólo si el sistema copernicano de órbitas circulares se modifica con la introducción de las órbitas elípticas, como Kepler ya lo había postulado con sus tres leyes. Muy extrañamente, Galileo nunca aceptó el sistema de Kepler, y daba como cierto el sistema copernicano sin ninguna reserva. El Colegio Romano aceptaba el sistema de Ticho Brahe, porque el sistema copernicano o el de Kepler parecían estar en contra de las Sagradas Escrituras. Los problemas comenzaron cuando un monje de nombre Sizi aseguró que la existencia de los satélites de Júpiter era incompatible con las Sagradas Escrituras. Para empeorar la situación, en 1612 el astrónomo jesuita Christopher Scheiner había observado las manchas solares, pero pensó que el Sol no sería perfecto si éstas fueran muchas, como lo afirmaba Galileo, y que por lo tanto éstas eran sin duda pequeños planetas que pasaban frente a él. Galileo demostró en Cartas sobre las manchas solares, de manera muy convincente, que en realidad eran manchas, pero además en ellas defendía con vigor el sistema copernicano. Esta publicación despertó inmediatamente fuertes polémicas, pero no el rechazo oficial de la Iglesia. Al contrario, los cardenales Barromeo y Barberini (futuro papa Urbano VIII) le escribieron cartas muy elogiosas en las que le manifestaban su admiración. El ataque contra Galileo se originó en académicos mediocres tanto laicos como miembros de la jerarquía eclesiástica. Quizá las discusiones hubieran cesado pronto si Galileo se queda callado, pero esto no era posible dado su carácter. Es muy interesante conocer una carta escrita por Galileo a Kepler, durante esta época, y que contiene los siguientes párrafos:

Hace algunos años, como Vuestra Serena Alteza bien sabe, descubrí en los cielos muchas cosas que nunca se habían visto antes en nuestra época. La novedad de estas cosas, así como algunas consecuencias que se deducían de ellas en contradicción con las naciones físicas comúnmente sostenidas entre filósofos académicos, concitaron contra mí a gran número de profesores, como si yo hubiese colocado con mis propias manos esas cosas en el cielo a fin de trastocar la naturaleza y derribar la ciencia... Mostrando mayor inclinación hacia sus propias opiniones que hacia la verdad, intentaron negar y desautorizar las nuevas cosas que, si se hubieran molestado en comprobar por sí mismos, hubiesen visto lo que sus propios sentidos les demostraban. Con este fin lanzaron varias acusaciones y publicaron numerosos escritos llenos de vanos argumentos, y cometieron el grave error de salpicarlos con pasajes tomados de lugares de la Biblia que no supieron comprender correctamente... Así, al explicar la Biblia, si tuviéramos que limitarnos siempre al estricto sentido gramatical, caeríamos fácilmente en el error. Siguiendo este método, no sólo haríamos aparecer en la Biblia contradicciones y proposiciones alejadas de la verdad, sino incluso graves herejías y locuras. Así, sería necesario asignarle a Dios pies, manos y ojos, así como inclinaciones corpóreas y humanas, tales como ira, pesar, odio, e incluso a veces el olvido de cosas pasadas y la ignorancia de cosas por venir... Por esa razón, parece que ninguna cosa física que la experiencia de los sentidos ponga ante nuestros ojos, o que nos demuestren las pruebas necesarias, se puede cuestionar (y mucho menos condenar) a causa del testimonio de pasajes bíblicos que pueden poseer algún significado distinto debajo de sus palabras. Los hechos que se desarrollaron después son sumamente complicados, pero desembocaron en que se le pidió a Galileo en su siguiente viaje a Roma, en 1616, que no sostuviera ni defendiera en adelante que el Sol era el centro del Universo ni que la Tierra no lo era. Lo amenazaron diciéndole que si se negaba a obedecer no le volverían a permitir enseñar. Galileo no tomó en cuenta esta amenaza, por lo que la completa desobediencia a esta orden trajo como consecuencia que se le sometiera a nuevo juicio. El resultado fue que tuvo que prometer que no volvería a enseñar la teoría copernicana, aunque es un mito la afirmación de que juró obediencia y que mientras lo hacía decía en secreto "y sin embargo se mueve", refiriéndose a la Tierra. El castigo fue una casi total prisión, aunque con todas las comodidades, en su villa de Arcetri en Florencia, durante los últimos nueve años de su vida. Murió casi ciego en 1642, el mismo año que nació Isaac Newton. Sus últimos años los dedicó a impartir clases a sus alumnos y a buscar nuevos métodos de tallado de las lentes. Fue en estos años cuando publicó su libro Diálogos acerca de dos nuevas ciencias, en el que establece las bases de la mecánica, el cual es su obra fundamental. Sus huesos descansan en el Panteón de los Florentinos, en la iglesia de la Santa Cruz, cerca de los de Miguel Ángel y Maquiavelo, con el epitafio de las palabras que nunca pronunció: eppur si muove (sin embargo se mueve). ALGUNOS DESARROLLOS POSTERIORES A GALILEO En agosto de 1610 el arzobispo Ernesto de Colonia le regaló un telescopio a Johannes Kepler, quien lo estudió muy cuidadosamente y por primera vez pudo dar una explicación satisfactoria de su funcionamiento. Sus resultados los describió más tarde en un libro monumental de óptica geométrica, llamado Dioptrice. Aunque no encontró Kepler la ley de la refracción, desarrolló una teoría muy completa de la óptica geométrica e instrumental, de la que se podían deducir los principios del funcionamiento del telescopio. En este libro Kepler sugirió substituir la lente divergente, que va cerca del ojo, por una convergente, como se ve en la figura 4(a). Sin embargo, se cree que esta sugerencia la puso en práctica el profesor jesuita Christopher Scheiner, que se

mencionó antes por su oposición a creer en la existencia de las manchas solares hasta seis años más tarde, en 1617. Con ello se logró aumentar el campo visual, a costa de invertir la imagen, o lo que es lo mismo, rotándola 180 grados. El problema que surgió es que las aberraciones se hicieron más notables, deteriorando así la calidad de la imagen.

Figura 4. Esquema óptico del anteojo de Kepler. (a) Con ocular sencillo. (b) Con ocular de Huygens. Un poco más tarde, Huygens sustituyó el ocular convergente simple por un sistema compuesto por dos lentes, como se ve en la figura 4(b). La nueva lente está muy cerca del plano focal del objetivo y su función es aumentar aún más el campo visual, acercando la pupila de salida al ocular, como se verá en la sección sobre oculares. Este tipo de ocular se sigue aún usando en los microscopios y en algunos telescopios pequeños. A pesar de los grandes avances en el diseño y fabricación de telescopios, es interesante saber que la formulación matemática de la ley de refracción la logró Willebrord Snell (Figura 2) en Holanda en el año de 1621.

II. CÓMO FUNCIONA EL TELESCOPIO UN TELESCOPIO es esencialmente un par de lentes, una llamada objetivo porque es la más cercana al objeto, y otra llamada ocular porque es la más cercana al ojo, como se muestra en las figuras 3(a) y 4(a). El objetivo es una lente convergente que forma una imagen I del objeto. Es fácil comprender que esta imagen es tanto mayor cuanto más larga sea su distancia focal, es decir, cuanto menos convergente sea. Esta imagen I se observa después con el auxilio de una pequeña lente, divergente como en el telescopio galileano de la figura 3(a), o convergente como en el telescopio kepleriano de la figura 4(a). La imagen I, al ser observada, producirá a su vez una imagen en la retina del ojo, que será tanto más grande cuanto más cerca está esta imagen I del globo ocular. Como el ojo no puede enfocar los objetos que están muy cerca de él, es necesaria la ayuda de una lente, llamada ocular, para realizar este enfoque. Si la imagen I está atrás del ojo se usa una lente negativa o divergente, pero si está adelante se usa una lente positiva o convergente. En vista de esto es fácil comprender que la amplificación aparente o angular M del telescopio es directamente proporcional a la distancia focal fob del objetivo, e inversamente proporcional a la distancia focal foc del ocular. Como se puede observar en la figura 4(a), si un objeto tiene un diámetro angular α, la imagen tendrá un diámetro angular β. Si ahora nos damos cuenta de que la lente ocular forma una imagen del objetivo a una distancia l de ella, es fácil ver que esta relación de ángulos, o sea la amplificación, está dada por:

(1) Si ahora usamos una relación muy conocida para determinar la posición de la imagen real formada por una lente, que en este caso es el ocular, encontramos:

(2) Esta amplificación angular de los diámetros aparentes de los objetos observados se puede interpretar también como un acercamiento del objeto. Así, con una amplificación de cinco, los objetos se ven a través del telescopio a la quinta parte de su distancia real. En un telescopio, como en cualquier otro sistema óptico, el haz luminoso está limitado en extensión lateral por una o más de las lentes del sistema. Generalmente es una sola superficie la que limita los rayos y recibe el nombre de pupila del sistema. Un rayo que salga de un punto en el objeto fuera del eje óptico para llegar al punto imagen correspondiente, pasando por el centro de la pupila, se llama rayo principal. Obviamente, existe un rayo principal para cada punto del objeto. La pupila de entrada es la posición aparente que tiene la pupila real cuando se le observa desde el espacio del objeto. La pupila de salida es la posición aparente que tiene la pupila real cuando se le observa desde el espacio del ojo que mira a través del telescopio. Alternativamente, podemos decir que la pupila de entrada es la imagen de la pupila real, formada por los lentes del sistema óptico que preceden a esta pupila real. Análogamente, la pupila de salida es la imagen de la pupila real, formada por las lentes del sistema que siguen a esta pupila real. Las figuras 3 y 4 muestran las posiciones de estas pupilas para los telescopios galileano y kepleriano. Es fácil ver que los rayos principales pasan por los centros de las pupilas real, de entrada y de salida. Es posible demostrar que si el diámetro de la pupila de entrada en un telescopio se representa por dent y el diámetro de la pupila de salida por dsal, la amplificación M estará dada por

(3)

En el telescopio galileano la pupila real o iris puede coincidir sobre el plano del objetivo o sobre el plano de la pupila del ojo del observador, según su amplificación y el diámetro del objetivo. Si el cociente dent/M es mucho menor que el diámetro de la pupila del ojo, es decir, si el telescopio tiene un objetivo pequeño y una amplificación grande, la pupila real y la de entrada estarán sobre el plano del objetivo, como se muestra en la figura 3(a). La pupila de salida no coincide con la del ojo, por lo que el campo visual estará determinado por el iris del observador. Si el cociente dent/M es mucho mayor que el diámetro de la pupila del ojo, es decir, si el telescopio tiene un objetivo grande y una amplificación pequeña, la pupila real y la de salida estarán sobre el plano del iris del observador, como se muestra en la figura 3(b). La pupila de entrada no está en el plano del objetivo, por lo que el diámetro de este último determina la amplitud del campo visual. Es fácil ver que el diámetro del objetivo no iene ninguna relación con el diámetro de la pupila de entrada. En el telescopio kepleriano, independientemente de su amplificación, las pupilas real y de entrada coinciden con el plano del objetivo y la pupila de salida con el iris del ojo del observador, como se puede ver en la figura 4(a). LAS ABERRACIONES DE LOS TELESCOPIOS La calidad de la imagen en un telescopio está limitada por muchos factores, unos asociados al telescopio mismo, otros al medio en el que se propaga la luz, es decir, a la atmósfera, y otros que dependen de la naturaleza de la luz. Describiremos primeramente los que dependen del telescopio y que reciben el nombre de aberraciones. Comenzaremos por recordar que un sistema óptico ideal, ya sea telescopio o cualquier otro, tiene que refractar los rayos de un punto en el objeto al punto correspondiente en la imagen. Según la posición del punto objeto en el campo, y el color de este objeto, podemos clasificar las aberraciones ópticas como sigue: a) Aberración de esfericidad b) Aberración de coma c) Astigmatismo d) Curvatura de campo e) Distorsión f) Aberración cromática axial g Aberración cromática lateral Las primeras cinco aberraciones se pueden manifestar, cualquiera que sea el color del objeto, incluso si es de un color puro, monocromático, por lo que en ocasiones reciben el nombre de aberraciones monocromáticas. Las últimas dos, en cambio, sólo pueden aparecer si el objeto es blanco, es decir, si su luz está formada por la mezcla de muchos colores. A continuación describiremos cada una de estas aberraciones. Aberración de esfericidad Supongamos que el punto objeto está sobre el eje óptico y que no todos los rayos pasan por el punto imagen en el eje, como se ilustra en la figura 5(a) para una lente y en la figura 5(b) para un espejo. Este defecto es muy

frecuente y, debido a que ocurre aun con superficies refractoras de forma esférica perfecta, recibe el nombre de aberración de esfericidad. A causa de esta aberración, los rayos reflejados en una superficie esférica o cilíndrica forman una figura característica, a la que se le da el nombre de cáustica. Esta se puede observar muy fácilmente en una taza de café iluminada oblicuamente por el sol o por una lámpara muy intensa.

Figura 5. Aberración de esfericidad en el objetivo de un telescopio. (a) Objetivo refractor. (b) Objetivo reflector. Dada una distancia del objeto, escogiendo de manera adecuada las curvaturas y las formas de las superficies de las lentes, es posible generalmente eliminar esta aberración mediante compensación de las aberraciones introducidas por unas superficies del sistema con las aberraciones introducidas por otras. Por ejemplo, si tenemos una lente convergente simple, pero con una cara convexa y una plana, la orientación que tiene la menor aberración de esfericidad es la que tiene la cara convexa hacia el objeto a una distancia muy grande de la lente, y la cara plana hacia la imagen. Si una lente no tiene corregida su aberración de esfericidad, ésta se puede representar aproximadamente por:

Esf = Aesf D3

(4)

donde Aesf es una constante que depende de cómo esté construida la lente y de la distancia del objeto a la lente.

La magnitud de esta aberración aumenta con el cubo de su diámetro, por lo que la calidad de la imagen aumentaría drásticamente si se reduce la abertura mediante un diafragma, pero esto tiene el gran inconveniente de reducir la cantidad de luz que entra al telescopio. Un telescopio con aberración de esfericidad tendría imágenes borrosas sobre todo el campo, como si estuvieran desenfocadas, y no servirá ningún esfuerzo por ponerlas en foco. Si los objetos son estrellas, las imágenes son pequeñas manchas en lugar de puntos, como se muestra comparativamente en las figuras 6(a) y 6(b).

Figura 6. Imágenes estelares en una placa fotográfica. (a) Perfectas. (b) Con aberración de esfericidad. (c) Con aberración de coma. (d) Con astigmatismo. Aberración de coma Los rayos que se encuentran representados en las figuras 5(a) y 5(b) están todos en el plano de la figura, llamado plano tangencial. Al plano perpendicular al tangencial y que contiene el rayo principal se le llama plano sagital. Si el objetivo tiene la aberración llamada coma, no todos los rayos tangenciales llegan a un punto común en la imagen, según se ve en la figura 7(a), y la imagen de la estrella, en lugar de ser puntual, tendrá la apariencia de una pequeña coma, como se muestra en la figura 6(c), de donde proviene su nombre. En una lente simple que tenga aberración de coma, ésta se puede representar aproximadamente por:

Coma = Acoma D2 h

(5)

donde Acoma es una constante cuyo valor depende de la configuración de la lente y de la posición del objeto. La coma aumenta linealmente con la distancia de la imagen al eje óptico, por lo que sólo es perceptible al observar objetos alejados de este eje, cuando el campo es amplio. Por otro lado, la magnitud de la coma también aumenta con el cuadrado del diámetro de la abertura del telescopio, por lo que al igual que en el caso de la aberración de esfericidad, ésta también disminuiría al reducir el diámetro del objetivo.

Figura 7. Formación de una imagen puntual fuera del eje óptico. (a) En la presencia de la aberración de coma. (b) En la presencia de astigmatismo mostrando los focos tangencial y sagital. Astigmatismo Desgraciadamente, la ausencia de coma no garantiza de ninguna manera que los rayos en el plano sagital lleguen al mismo punto de los rayos tangenciales. Puede también suceder que los rayos tangenciales y los sagitales tengan diferente foco, como se ilustra en la figura 7(b), y entonces decimos que el sistema óptico tiene astigmatismo. Al igual que en el caso de la coma, el efecto es que la imagen es nítida y clara en el centro del campo, pero tanto más difusa y desenfocada cuanto más lejos observemos del eje óptico. Al presentarse el astimagtismo, existen diferentes superficies focales para los rayos sagitales y para los rayos tangenciales. Si el campo visual está formado por estrellas, las imágenes son circulares o alargadas en la dirección radial o tangencial, según la superficie focal que enfoquemos visual o fotográficamente (Figura 8) al hacer la observación, como se muestra en la figura 9(a). La imagen de un circulo con líneas radiales tendrá las apariencias mostradas en la figura 9(b), según la superficie focal seleccionada. Una placa fotográfica del cielo en la presencia de astigmatismo tendrá

imágenes estelares como las que se muestran en la figura 6(d). El astigmatismo en una lente simple se puede representar aproximadamente por:

(6)

donde Aast es una constante que depende de la configuración de la lente y de la posición del objeto. El astigmatismo crece linealmente con el diámetro del objetivo y con el cuadrado de la distancia de la imagen al eje óptico. Como en el caso de la coma, esta variación es lineal y el resultado es que para campos relativamente poco amplios la coma es la única que se detecta, pero a medida que crece el campo el astigmatismo alcanza a la coma, hasta superarla finalmente. Como en los telescopios el campo no es en general muy grande, la coma es mucho más importante de corregir que el astigmatismo. Como se ve en la fórmula, las distancias focales largas también reducen el astigmatismo.

Figura 8. Superficies focales para los planos tangencial, sagital y de Petzval en una lente con astigmatismo. La superficie de Petzval es la superficie focal si la lente no tuviera astigmatismo.

Figura 9. Imágenes en la presencia de astigmatismo. (a) De un objeto puntual. (b) De una circunferencia con líneas radiales, en las diferentes superficies focales. Curvatura de campo Aun en el caso de que todos los rayos que salen de un punto cualquiera en el objeto lleguen a un solo punto sobre la imagen, lo cual sucede si no hay aberración de esfericidad, ni coma ni astigmatismo, puede suceder que este punto imagen no esté en la posición correcta. Si el desplazamiento del punto es en la dirección paralela al eje óptico, el resultaddo es que los puntos imagen están sobre una superficie curva, generalmente esférica, en lugar de una plana. Por eso a esta aberración se le conoce con el nombre de curvatura de campo. En general, los oculares no pueden enfocar sobre superficie curva. En un telescopio con esta aberración se puede enfocar claramente el centro del campo o la periferia, pero no ambos al mismo tiempo.

(7)

donde N y f son el índice de refracción y la distancia focal de la lente, respectivamente. El astigmatismo y la curvatura de campo, como se puede ver, no son dos aberraciones independientes, por lo que el valor dado por esta expresión es válido sólo en ausencia de astigmatismo. Distorsión Podría también suceder que el punto imagen se desviara de su posición ideal en una dirección perpendicular al eje óptico. La imagen conserva entonces su definición y nitidez, pero cambia su forma, deformando la imagen. Con esta aberración, llamada distorsión, la imagen de un cuadro es como se muestra en la figura 10, según el signo de esta aberración. En el caso de los telescopios astronómicos, esta aberración es importante solamente si se desean hacer mediciones de las posiciones relativas de las imágenes estelares sobre el campo focal, a fin de determinar las posiciones de las estrellas. Por otro lado, en una lente simple o doblete, como es el caso de un telescopio refractor, la distorsión es sumamente pequeña.

Figura 10. Imágenes de un objeto cuadrado cuando la lente tiene distorsión. Aberración cromática axial Para complicar aún más la situación, el índice de refracción de los vidrios es diferente para cada color de la luz. La luz que emite o refleja un objeto es en general blanca, es decir, que está formada por todos los colores posibles del arco iris o espectro. Entonces, puede suceder que las imágenes formadas por cada color estén colocadas en diferentes planos o bien que tengan diferente tamaño. En el primer caso, se dice que el telescopio tiene aberración cromática axial (Figura 11) y en el segundo aberración cromática de amplificación.

Figura 11. Aberración cromática axial en una lente. En un telescopio con aberración cromática axial se puede enfocar solamente un color a la vez, por lo que la imagen de las estrellas tiene la forma de una mancha circular con núcleo coloreado generalmente en rojo, rodeado de un halo de color azul (Figura 12[a]).

Figura 12. Imágenes estelares con aberración cromática. (a) Axial. (b) De amplificación.

Un telescopio reflector no tiene aberración cromática, pues según la ley de la reflexión, el ángulo de reflexión es igual al de incidencia, cualquiera que sea el color de la luz. Sin embargo, en un telescopio refractor la aberración cromática aparece si el objetivo es una lente convergente simple. Esta aberración se puede corregir si el objetivo es un doblete formado por dos lentes en contacto, una convergente y una divergente, hechas de diferentes vidrios. Estas dos lentes deben tener aberraciones cromáticas exactamente opuestas, a fin de que se anulen mutuamente, pero el poder refractor de la lente convergente debe ser superior al de la divergente para que el sistema sea convergente. Dicho de otro modo, la relación entre el grado de refrangibilidad y el grado de dispersión cromática debe ser mayor en la lente convergente que en la divergente. Esto se logra si la lente divergente se construye con un tipo de vidrio óptico comúnmente denominado Crown, y la lente divergente con un tipo de vidrio óptico denominado Flint. Algunos de estos vidrios ópticos se enlistan en el cuadro 1. El llamado número de Abbe V define el grado de dispersión cromática del vidrio, siendo tanto menor su magnitud cuanto mayor sea su dispersión cromática, y está definido por

(8)

donde las letras C, D y F, de acuerdo con una notación propuesta por Fraunhofer, representan los colores rojo, amarillo y azul, respectivamente. CUADRO 1. Características de algunos vidrios ópticos comunes.

NC Tipo de vidrio (catálogo Schott)

ND

NF

λ= 587.6 nm

λ= 480.0 nm

V

1.5143

1.5168

1.5224

64.20

1.5198

1.5225

1.5286

59.64

1.6095

1.6127

1.6200

58.63

λ= 643.8 nm

Crown Borosilicato BK7

Crown K-5

Crown Flint SK-4

Crown Flint

1.5200

1.5231

1.5303

50.93

1.61503

1.6200

1.6321

36.37

1.6311

1.6364

1.6491

35.35

1.6922

1.66989

1.7155

30.05

KF-5

Flint F-2

Flint F-6

Flint Denso

Un doblete acromático se puede diseñar con estos vidrios, usando las siguientes fórmulas aproximadas, que nos permiten calcular las distancias focales de cada una de las dos componentes, como función de la distancia focal F del doblete final y de los números de Abbe de vidrios usados:

(9)

y:

(10)

Aberración cromática lateral Si no hay aberración cromática axial sino solamente lateral o de amplificación, las estrellas en el centro del campo son blancas, es decir, sin aberración, pero a medida que se alejan del eje óptico se alargan tomando la forma de pequeños espectros, o ráfagas de colores, según se ve en la figura 12(b). La aberración cromática de amplificación está casi ausente en una lente simple, a pesar de su aberración cromática axial, al igual que en un doblete acromático. En cambio, esta aberración puede ser muy notoria si el

sistema óptico está formado por dos o más lentes separados, como es el caso de muchos oculares, o de un telescopio galileano. Aunque no siempre es posible, una manera de corregir esta aberración en un sistema de dos lentes es haciéndolas del mismo vidrio y separándolas por una distancia igual a la semisuma de sus distancias focales. Como se irá viendo en el transcurso de este libro, mediante un diseño adecuado es posible eliminar casi totalmente el efecto de estas aberraciones. LA DIFRACCIÓN DE LA LUZ EN UN TELESCOPIO Es conveniente ahora recordar que el concepto de rayo de luz es solamente una idealización matemática que representa la realidad sólo en forma aproximada. La luz es una onda de una naturaleza que llamamos electromagnética y que difiere de una onda de radio solamente en su longitud de onda. Cuando una onda, ya sea de luz, de radio o acusto-mecánica como el sonido, pasa por una abertura, se produce un efecto llamado difracción. Al limitar la extensión lateral de la onda con la abertura el haz luminoso u onda cambia su dirección de propagación cerca de los bordes, abriendo el haz un poco en forma de abanico. La desviación angular del haz es tanto mayor cuanto menor sea la abertura del diafragma. Como vimos antes, la pupila de un sistema óptico limita la extensión lateral del haz luminoso; por lo tanto, es inevitable que se produzca el fenómeno de la difracción. Aunque según la óptica geométrica o de rayos la imagen sea perfectamente puntual, debido a este fenómeno no será en realidad así. La difracción hará que la imagen de una estrella supuestamente puntual sea en realidad un pequeño disco luminoso rodeado de unos anillos más débiles, como se muestra en la figura 13(a). La irradiancia relativa a lo largo de un radio de esta imagen se muestra en la figura 13(b). Al primer anillo obscuro de esta imagen de difracción se le llama anillo de Airy, en honor de uno de los precursores en el estudio de este fenómeno.

Figura 13. Imagen de una estrella. (a) Anillos de difracción. (b) Distribución radial de la irradiancia en la imagen de difracción. Las aberraciones se pueden corregir, pero la difracción no es posible eliminarla jamás; sólo se puede reducir su magnitud aumentando de tamaño la pupila, o sea, el diámetro de las lentes. Afortunadamente, el efecto de la difracción es en general muy pequeño comparado con el que casi siempre introduce aun pequeñas aberraciones. Debido a la difracción, en un telescopio perfecto, sin aberraciones, lo más juntas que pueden estar un par de imágenes de estrellas y aun distinguirlas como dos está determinado por el llamado Criterio de Rayleigh. Este criterio, que se ilustra en la figura 14(b), nos dice que se tiene esta separación mínima cuando el centro de una imagen está sobre el primer anillo oscuro o de Airy de la otra imagen. Así, la separación angular q en radianes entre dos estrellas apenas detectables como separadas, está dada por:

θ = l.22 λ / D

(11)

por lo que, substituyendo el valor de la longitud de onda (λ= l5.55x l0-5 cm) y convirtiendo θ a segundos de arco, se encuentra:

θ = 14/D

(12)

donde D está expresado en centímetros. Otra proposición de criterio de resolución para dos estrellas muy cercanas fue propuesta por Sparrow, quien sugirió que las estrellas podían estar un poco más juntas, de tal manera que la irradiancia de las dos estrellas, en la parte intermedia entre las dos, fuera aproximadamente constante, es decir, con una gráfica plana, al pasar de una estrella a otra, como se ve en la figura 14(c). Así, según el Criterio de Sparrow, la separación angular mínima en segundos de arco que podemos detectar entre dos estrellas está dada por:

θ = 11.6/D

(13)

donde D está en centímetros. El astrónomo W. R. Dawes, después de una cantidad muy grande de observaciones, encontró empírica e independientemente un resultado muy similar al de Sparrow, por lo que este criterio se conoce también con el nombre de Criterio de Dawes. Es importante hacer notar que estos criterios son rigurosamente válidos sólo para observación visual, con la condición adicional de que las dos estrellas tengan la misma magnitud.

Figura 14. Criterios de Rayleigh, de Sparrow y de Dawes para la resolución de dos estrellas muy cercanas. LA TURBULENCIA ATMOSFÉRICA La atmósfera está en continuo movimiento y agitación debido a las diferencias locales de temperatura. Como las variaciones en temperatura ocasionan también variaciones en el índice de refracción, la imagen de una estrella se desenfocará y moverá continuamente. El primero que se dio cuenta de la importancia de la turbulencia atmosférica o seeing (del inglés: visión), como le llaman los astrónomos, fue Christian Huygens en Holanda quien notó que las estrellas cintilaban y que las orillas de la Luna y de los planetas vibraban aun cuando la atmósfera estaba aparentemente calmada y serena. Una consecuencia importante del seeing atmosférico es que aumenta el tamaño de las imágenes de las estrellas y

además las desplaza constantemente de su posición, y con ello disminuye el poder resolutor del telescopio. Podemos imaginarnos la turbulencia atmosférica como celdas o globos de aire en continuo movimiento, con variaciones de una a otra en el índice de refracción. Cada celda tiene un diámetro entre 10 y 25 centímetros. Por lo tanto, en telescopios con aberturas menores de 10 centímetros el efecto de la turbulencia es un movimiento continuo y al azar, con desenfoques ocasionales de la imagen. Esta es la razón de la cintilación de las estrellas cuando se ven a simple vista. Si la abertura del telescopio es mucho mayor de 20 centímetros, la imagen no se mueve, sino que su tamaño aumenta, y adquiere una forma que en promedio es circular, pero que cambia constantemente. El diámetro aparente de las estrellas debido a este efecto depende del lugar, el día y la hora, y puede variar desde unos cuantos segundos de arco hasta dos o tres décimos de segundo de arco en las montañas de los mejores observatorios astronómicos del mundo. Por ejemplo, en el observatorio de Monte Palomar, el diámetro más frecuente de la imagen es de alrededor de dos y medio segundos de arco, con valores mayores o menores en ocasiones. El valor más pequeño que se ha observado ahí es de alrededor de tres décimas de segundo de arco. Tanto la turbulencia atmosférica como otro efecto adicional que es la aberración cromática de la atmósfera, aumentan rápidamente con la altura de observación, por lo que las observaciones deben efectuarse lo más cerca del zenit, de ser posible. FACTORES LIMITANTES DE LA RESOLUCIÓN DE UN TELESCOPIO En telescopios pobremente diseñados los factores limitantes son las aberraciones. Esto no tiene por qué suceder en los telescopios modernos, diseñados y construidos por profesionales. Sin embargo, esto era muy común en los telescopios antiguos. Un ejemplo sumamente interesante es el telescopio de Galileo, que tenía todo tipo de aberraciones, incluyendo la de esfericidad y la cromática axial, que son las más necesarias de corregir. Este telescopio tenía una resolución angular de tan sólo 15 segundos de arco. En los telescopios modernos los factores importantes que limitan la resolución angular son la difracción, si la abertura es menor de alrededor de 25 cm, y la turbulencia atmosférica si su abertura es mayor. Dicho de otro modo, la mayor resolución que puede tener un telescopio terrestre es la que le permita la atmósfera, y se logra con una abertura de tan sólo 25 cm, como se ve en el cuadro 4. Un telescopio en órbita, fuera de la atmósfera terrestre, podrá tener una resolución mayor. AMPLIFICACIÓN ÚTIL DE UN TELESCOPIO La amplificación de un telescopio está dada por el cociente de las distancias focales del objetivo y del ocular. Por lo tanto, en teoría es posible, mediante el ocular adecuado, obtener cualquier amplificación que se desee. En la práctica esto no es posible porque pasado un cierto límite, el tamaño de un elemenfo de imagen o "grano" puede ser tan grande que ya no aumenta la cantidad de detalle que se puede ver al aumentar la amplificación. A ésta se le llama algunas veces "amplificación vacía". Este límite se alcanza cuando el elemento de imagen tiene justamente el diámetro angular que puede resolver el ojo humano. Este límite de resolución del ojo humano es de alrededor de un minuto de arco, pero al observar a través de un telescopio con alta amplificación, la pupila de salida frecuentemente es menor que la del ojo, por lo que una resolución de dos minutos de arco, es decir, de 120 segundos de arco, es más realista. El limite de resolución de Dawes nos dice que la resolución angular del telescopio en el campo del objeto es de 1 l.6/D segundos de arco, pero este elemento de imagen visto a través del telescopio con amplificación M tiene un diámetro angular igual a 11.6 M/D segundos de arco. Si ahora hacemos que este diámetro angular sea igual a 120 segundos de arco, encontramos fácilmente que la máxima amplificación útil para telescopios pequeños limitados por difracción se alcanza aproximadamente cuando

M = l0 D

(14)

decir, cuando la amplificación es aproximadamente igual a 10 veces el diámetro de la abertura del telescopio

expresada en centímetros, o lo que es lo mismo, el diámetro de la abertura en milímetros. (Véase cuadro 4.) Debido a la turbulencia atmosférica, esta amplificación máxima del telescopio jamás podrá ser mucho mayor de poco más de 250 a 500 ni siquiera en telescopios tan grandes como el de Monte Palomar. MAGNITUD LIMITE DE UN TELESCOPIO La magnitud de una estrella es una indicación de su brillantez, de tal manera que cuanto más brillante sea, menor será su magnitud. Según una escala arbitraria y subjetiva de los griegos, las estrellas más brillantes tendrán magnitud uno, mientras que las más débiles que se pueden observar a simple vista tendrán magnitud seis. Esta manera de medir la brillantez de las estrellas se ha conservado hasta nuestros días, pero con un sentido físico y matemático más formal. Ahora se sabe que en la respuesta del ojo, según una ley psicofísica de Fechner, la sensación es proporcional al logaritmo de la excitación. John Herschel, en 1830, definió las magnitudes estableciendo que la brillantez de una estrella de primera magnitud es 100 veces mayor que la de una estrella de sexta magnitud. De acuerdo con esto, una estrella con una magnitud una unidad menor que otra, tendrá una brillante

veces mayor. Por lo tanto, si suponemos que el brillo de una estrella de primera

magnitud es uno, se tienen las siguientes equivalencias: CUADRO 2. Equivalencia entre magnitud y brillo relativo de las estrellas.

Magnitud

Brillo relativo

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

6.3 2.5 1 1/2.5 1/6.3 1/15.8 1/39.8 1/100 1/251.2 1/630.9

Si dos estrellas con magnitudes m y n tienen brillos Bn y Bm, respectivamente, se tiene que

(15)

de donde, tomando logaritmos, se obtiene

log Bn - log Bm = (m - n) log (2.512) = 0.4 (m - n)

(16)

o sea que la diferencia de las magnitudes es directamente proporcional a la diferencia de los logaritmos de sus brillos. Falta ahora calibrar esta escala seleccionando el brillo de una estrella de primera magnitud; esto se hizo de tal manera que las estrellas Aldebarán y Altair están muy cercanas a ella. El siguiente cuadro lista como ejemplos las magnitudes visuales de algunas estrellas. CUADRO 3. Magnitudes visuales de algunas estrellas.

Estrella alfa can Mayor alfa corina alfa Lira alfa Orión alfa Águila alfa Tauro alfa Osa Mayor alfa Osa Menor beta Lira delta Lira nu Lira épsilon Lira

Nombre

Magnitud

Sirio Canopus Vega Betelgueuse Altair Aldebarán Doubne Polar

- 1.5 - 0.1 0.0 0.5 0.8 0.9 1.8 2.0 3.5 4.0 5.0 6.0

Si se observa una estrella a través de un telescopio, el brillo aparente de la estrella aumenta debido a que la abertura colectora del objetivo del telescopio es mayor que la del ojo. Por lo tanto, para poder alcanzar a percibir una estrella a través del telescopio, no es necesario que sea tan brillante como cuando se le observa a simple vista. Dicho de otro modo, el brillo mínimo necesario para ver una estrella es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro del telescopio con el que se le observa. Entonces, la relación entre el brillo mínimo para poder observar una estrella a través del telescopio y el brillo mínimo para poder observarla a simple vista es el cuadrado de la relación del diámetro Do de la pupila del ojo entre el diámetro Dt de la abertura del telescopio. Por lo tanto

(17)

donde m0 y mt son las magnitudes más débiles que se pueden observar a simple vista y a través del telescopio. De aquí obtenemos

mt - m0 + 5 log

(18)

donde el subíndice t se refiere al telescopio y el subíndice o al ojo. El diámetro de la pupila del ojo es diferente para diferentes observadores, pero podemos suponer un promedio de alrededor de 0.6 cm. Si tomamos este diámetro de Do y la magnitud limite mo que se observa a simple vista, igual a 6, se obtiene:

Mv = 7.10 + 5 log D

(19)

Aquí se ha suprimido el subíndice del diámetro del telescopio por no ser ya necesario, y se ha cambiado el subíndice de la magnitud a v para indicar que la observación a través del telescopio es visual. Este resultado se tabula en el cuadro 4. De aquí se ve que con el telescopio de Yerkes de un metro de diámetro se puede observar hasta la magnitud 17, y con un telescopio de 10 cm de abertura, hásta la magnitud 12. Otra manera de ver las ventajas de un telescopio con abertura grande es imaginarnos que las estrellas y galaxias tienen brillos absolutos muy diferentes, pero distribuidos completamente al azar en todo el espacio. Así, una estrella dada la podríamos detectar a una mayor distancia con un telescopio de abertura grande que con otro de menor abertura. Los brillos aparentes varían en relación inversa con el cuadrado de la distancia y en relación directa con el cuadrado de la abertura del telescopio. Por lo tanto, un telescopio con el doble de abertura de otro puede detectar objetos al doble de distancia. Es entonces obvio que con un telescopio del doble de la abertura de otro se pueden observar objetos celestes al doble de la distancia, y por lo tanto un volumen más grande del universo que nos rodea. Fotográficamente, la magnitud límite depende no sólo del diámetro del objetivo sino también de la sensibilidad de la película y del tiempo de exposición, como se explicará más adelante en la sección sobre telescopios fotográficos. CUADRO 4. Principales características de un telescopio, según el diámetro de su objetivo.

Diámetro del objetivo en cm.

Poder resolutor en segundos de arco Rayleigh Sparrow

Amplificación visual máxima útil

Magnitud visual límite

0.60 5.00 10.00 15.00 20.0 25.0

23.33 2.80 1.40 .93 .70 .56

19.33 2.32 1.116 .77 .58 .46

6 50 100 150 200 250

6.0 10.6 12.1 12.9 13.6 14.0

30.0

.46

.38

300

14.4

50.00 60.00 80.00 100.00

.28 .23 .17 .14

.23 .19 .14 .11

500 600 800 1 000

15.6 16.0 16.6 17.1

150.00

.09

.07

1 500

18.0

200.00 250.00 300.00

.07 .05 .04

.05 .04 .03

2 200 2 500 3 000

18.6 19.0 19.4

500.00

.02

.02

5 000

20.5

BRILLANTEZ DE LA IMAGEN DE UN TELESCOPIO Es fácil ver que un telescopio kepleriano el máximo flujo de la energía luminosa al ojo se obtiene cuando el diámetro del objetivo es igual que el diámetro de la pupila del ojo, multiplicado por la amplificación, es decir, cuando la pupila de salida es del mismo diámetro que la pupila del ojo, a fin de aprovechar al máximo la capacidad de captación de luz del ojo del observador. Si crece el diámetro del objetivo, crece la pupila de salida, y con ello la cantidad de luz colectada. Pero en un telescopio visual esta energía luminosa no se puede aprovechar, pues la pupila de salida se hace mayor que la del ojo. Dicho de otro modo, dado un diámetro del objetivo, se puede aumentar la luminosidad del objeto disminuyendo la amplificación, y por lo tanto aumentando el diámetro de la pupila de salida, hasta el límite de igualarla con el diámetro de la pupila del ojo. Esta amplificación, para la cual se obtiene la máxima brillantez del objeto, está dada por:

Mmin =

= D/0.6

(20)

que es el mínimo valor que puede tener la amplificación sin desperdiciar parte de la energía captada por el telescopio. D es el diámetro del objetivo en centímetros. Así, un telescopio de 12 centímetros de diámetro tendrá la máxima brillantez visual de la imagen si su amplificación es de 20. La brillantez de la imagen de un objeto puntual, como una estrella, es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de la pupila de entrada, suponiendo que no excede el diámetro máximo antes explicado, y es independiente de la amplificación de telescopio, pues la imagen es siempre un punto. Como ya vimos, Ja relación entre la brillantez de la imagen a través del telescopio y la brillantez de la imagen a simple vista está dada por el cuadrado de la relación del diámetro de la pupila de entrada del telescopio y el diámetro de la pupila del ojo, según la expresión:

(21)

Por otro lado, de igual manera, la brillantez de la imagen de un objeto extendido es directamente proporcional al cuadrado del diámetro de la pupila de entrada, pero también es inversamente proporcional al cuadrado de la amplificación. La razón es que al aumentar la amplificación aumenta el diámetro de la imagen, y con ello el área sobre la cual distribuye la energía luminosa captada por el telescopio. Es fácil demostrar que la relación entre la brillantez de la imagen a través del telescopio y la brillantez de la imagen a simple vista está dada por el cuadrado de la relación del diámetro de la pupila de entrada del telescopio y el diámetro de la pupila del ojo, dividido entre la amplificación del telescopio, como sigue:

(22)

Si ahora suponemos que la amplificación es igual a la amplificación Mmin que produce la máxima brillantez (M = Mmin), encontramos que la brillantez a través del telescopio es la misma que cuando se observa el objeto a simple vista. El resultado es sumamente importante y de gran utilidad, pues nos dice que la brillantez de un objeto extendido no podrá jamás aumentar por el uso de un telescopio, sino que en el mejor de los casos será la misma. Es por lo tanto fácil ver que la relación entre la brillantez de la imagen de un objeto puntual y la brillantez de la imagen de un objeto extendido es directamente proporcional a la amplificación del telescopio, como sigue:

(23) siempre y cuando esta amplificación sea mayor que Mmin. Por lo tanto, esta relación siempre es mucho mayor que uno. Ésta es la razón por la cual es posible observar las estrellas más brillantes a través de un telescopio, a plena luz del día, cuando es completamente imposible hacerlo a simple vista. RESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN TELESCOPIO Las características principales que describn el funcionamiento de un telescopio se resumen a continuación en el siguiente cuadro: CUADRO 5. Características de funcionamiento de un telescopio

Diámetro del objetivo en cm

mínima

Amplificación óptima

máxima

2 5 10 15 20 25

3 8 16 25 33 42

5 12 25 37 50 62

20 50 100 150 200 250

Magnitud resolución límite límite 8.6 10.6 12.1 13.0 13.6 14.1

5.8 2.32 1.16 .77 .58 .46

30 40 50 60

50 66 83 100

75 100 125 150

300 400 500 600

14.5 15.1 15.6 16.0

.39 .29 .23 .19

Se ha definido aquí amplificación mínima como aquella que nos produce una pupila de salida de 6 mm y por lo tanto produce la máxima luminosidad posible. Esta amplificación es ideal si se desea ver el cielo con la máxima luminosidad que permite el telescopio. Como es de esperar, dado un diámetro del objetivo, la mínima amplificación es la que tiene el máximo campo visual. Por otro lado, como se puede ver en el cuadro 5, cuanta más abertura tenga el telescopio mayor será la amplificación mínima, reduciendo el campo visual, pero también aumentando la magnitud límite. Si el cielo tuviera una densidad volumétrica uniforme de estrellas, la reducción en el campo visual quedaría justamente compensada por el aumento en la magnitud límite. Por lo tanto, cualquiera que fuera el diámetro del objetivo, la amplificación mínima siempre producirá la misma densidad de estrellas en el campo visual. Se ha encontrado, sin embargo, que éste no es el caso, y que el diámetro óptimo de la abertura para tener la mayor densidad de estrellas en el campo es alrededor de 15 centímetros. Este tipo de telescopio recibe el nombre de telescopio del campo estelar más rico. La amplificación óptima se ha definido aquí como aquella que da la mejor resolución visual aparente, la cual se obtiene cuando la pupila de salida tiene un diámetro de 0.4 centímetros. Para observación planetaria, sin embargo, se recomienda aproximadamente el triple de esta amplificación, siempre que no exceda a la amplificación máxima. La amplificación máxima es aquella que se puede obtener con un telescopio sin aberraciones, llevándolo al límite que nos permite la difracción, aunque hay que recordar que dependiendo del grado de turbulencia atmosférica, este limite puede estar cuando mucho en un valor aproximado de 250 a 500. La magnitud límite es para observación visual y de ninguna manera se aplica a telescopios fotográficos. La resolución angular se expresa en segundos de arco, según el criterio de Dawes.

III. LOS TELESCOPIOS ASTRONÓMICOS Los telescopios astronómicos pueden ser de varios tipos, según que sus elementos ópticos sean reflectores o refractores. Como ya se vio, el primer telescopio fue refractor, pero con el gran inconveniente de su gran aberración cromática. En un principio se trató de solucionar el problema usando relaciones focales muy grandes, algunas veces superiores a 100. Esta relación focal f/# está definida como el cociente de la distancia focal f del objetivo entre el diámetro D del mismo, como sigue:

(24) Las grandes relaciones focales disminuían grandemente el efecto de las aberraciones y producían una imagen muy amplificada, pero a cambio de ello el telescopio era muy inestable, incómodo y, sobre todo, muy poco luminoso. Empíricamente, se encontró que la relación focal de una lente simple cuya aberración cromática no es objetable, debe ser superior a:

(25)

donde el diámetro D de la abertura está dado en centímetros. Johannes Hevelius construyó telescopios con relaciones focales superiores a f /l 00. Éstas fueron las motivaciones que llevaron a la invención del telescopio reflector. Desafortunadamente, el telescopio reflector también tenía sus propios problemas. Una superficie reflectora requiere ser tallada con mucha mayor precisión que una refractora, y encima de ello generalmente tiene que ser una cónica de revolución, es decir, un paraboloide, elipsoide o hiperboloide, la cual es mucho más difícil de tallar y probar que una esférica. Otro problema de los primeros telescopios reflectores es que como no se conocían los métodos para metalizar una superficie de vidrio, se hacían de metal, haciendo la superficie óptica fácilmente deformable con el calor. La superficie reflectora, además, se oxidaba con suma facilidad. Al descubrirse el objetivo acromático, la superioridad del telescopio refractor fue indudable, por lo que casi quedaron olvidados los reflectores. Con el desarrollo de los métodos para el metalizado de vidrio, de vidrios que no se deforman con los cambios de temperatura, y de las técnicas para el tallado y prueba de superficies ópticas, los telescopios reflectores volvieron a tener gran popularidad sobre los refractores. A continuación se describirá la historia de estos dos tipos de telescopios. LOS TELESCOPIOS REFRACTORES Los telescopios refractores no progresaron mucho ni fueron muy populares después de la invención del telescopio reflector, debido a las grandes aberraciones que tenían, sobre todo las cromáticas. Es bien conocido el hecho de que Newton fue el primero que exploró la posibilidad de construir una lente acromática con dos lentes, una positiva y otra negativa, que tuvieran aberraciones opuestas. Desafortunadamente, Newton trató mediante un experimento verificar si el poder cromático dispersor de una substancia siempre era directamente proporcional al poder refractivo o índice de refracción, habiendo llegado al resultado de que sí era éste el caso. Esto lo hizo aumentando el indice de refracción del agua hasta igualarlo con el del vidrio, mediante la adición de un compuesto de plomo. La conclusión errónea fue que en todas las substancias el poder cromático dispersor era directamente proporcional al poder refractivo, por lo que era imposible construir una lente acromática. Este error en un investigador de la importancia de Newton hizo que la invención del telescopio acromático se retrasara más

de tres cuartos de siglo. Robert Hooke nunca estuvo de acuerdo con la conclusión de Newton, y llegó a proponer la construcción de una lente acromática a base de vidrios y líquidos, pero nunca puso la idea en práctica. El primer telescopio acromático fue probablemente diseñado por Chester Moor Hall en Essex en 1729 y construido por George Bast en Londres en 1733, con una abertura de alrededor de cinco centímetros. Esta invención no tuvo mucha influencia, hasta que fue de nuevo traída a la luz y patentada por John Dollond en 1758 en Inglaterra. Es interesante saber que Dollond estaba de acuerdo con Newton sobre la imposibilidad de construir un objetivo acromático, pero cambió de idea. Sus últimos años los dedicó, junto con su hijo Peter Dollond, a perfeccionar estos objetivos, que fueron bautizados con el nombre de acromáticos por el astrónomo aficionado John Bevis. El principal obstáculo en el desarrollo de los objetivos acromáticos era el conseguir vidrio óptico lo suficientemente claro y homogéneo como ahora lo tenemos. Un artesano suizo llamado Pierre Louis Guinand, en 1784, al interesarse en construir telescopios y ver que la limitación principal era el vidrio óptico, se propuso investigar cómo producirlo. Después de una gran actividad a lo largo de muchos años, logró producir discos de vidrio óptico de calidad aceptable, con un diámetro hasta de 30 cm. Se ha dicho con justicia que Guinand es el fundador de la industria del vidrio óptico en el mundo. En sus últimos años Guinand unió sus esfuerzos Con los de Joseph von Fraunhofer, considerado el padre de la astrofísica, a quien le transmitió todos sus conocimientos. Fraunhofer logró además construir y diseñar un doblete acromático razonablemente corregido por aberraciones, como el que se muestra en la figura 15.

l Figura 15. Objetivo acromático de Fraunhofer. Con el fin de corregir con mayor perfección la aberración cromática, además de otras aberraciones, se diseñó una gran variedad de configuraciones ópticas. Alrededor de 1850, Alvan Clark, pintor de retratos, tuvo enorme popularidad por su tremenda habilidad para tallar y figurar lentes con gran precisión. En sociedad con sus dos hijos estableció una empresa que muy pronto adquirió considerable reputación por la gran calidad de sus objetivos de telescopio. Uno de sus trabajos más conocidos es el del telescopio refractor de 65 cm de diámetro para el Observatorio Naval de los Estados Unidos en Washington. El objetivo de este telescopio se construyó con la forma de una lente positiva equiconvexa y una lente negativa cóncavo-convexa, separadas por una pequeña distancia, como se muestra en la figura 16(a). Tanto la aberración de esfericidad como la cromática están muy bien corregidas en este sistema. Un objetivo muy usado a principios de este siglo es el llamado doblete astrográfico que se muestra en la figura 16(b). Es una variación de la llamada lente de Pezval, que tiene las siguientes dos propiedades muy importantes: a) El sistema es muy compacto, pues su distancia focal efectiva es mayor que la distancia de la lente frontal al foco; b) La superficie focal es plana, pues la curvatura de campo está corregida.

Figura 16. Algunos objetivos refractores de telescopio. (a) Objetivo de Clark. (b) Objetivo astrográfico. (c) Triplete de Cooke. (d) Objetivo de Ross. (e) Objetivo fotovisual. El triplete Cooke fue diseñado al final del siglo pasado por Dennis Taylor para la compañía T. Cooke and Sons. Desde el punto de vista del diseño, este objetivo es sumamente importante, pues posee justamente el número de lentes y separaciones necesarias para corregir todas las aberraciones, para un campo y abertura moderados (Figura 16[c]). La lente de Ross, que se muestra en la figura 16(d), tiene una excelente corrección de las principales aberraciones en un campo muy amplio, de más de 20 grados con relaciones focales tan bajas como f / 5. El observatorio de Lick, en Monte Hamilton, California, tiene una lente tipo Ross de 50 centímetros de abertura con una relación focal f /7, y un campo de 20 grados. Otro objetivo con cierta popularidad es el llamado fotovisual, que se muestra en la figura 16(e). LOS TELESCOPIOS REFLECTORES El telescopio reflector fue considerado una posibilidad por gran número de investigadores del siglo XVII, entre otros por Zucchi, Cavalieri, Mersenne y Descartes, pero ninguno de ellos puso sus ideas en práctica. En 1663, James Gregory, famoso matemático escocés, publicó un libro titulado Optica promota, en el cual describió el elegante sistema que se muestra en la figura 17(a), donde la luz se refleja en un espejo elipsoidal, para llegar al ocular a través de una perforación en el espejo primario parabólico. Este sistema, sin embargo, no tuvo ningún éxito debido a las dificultades para tallar estas superficies con la precisión requerida. Gregory visitó Londres en 1663, donde Collins le puso en contacto con Richard Reive, el fabricante de instrumentos más importente en la capital, quien intentó construir los espejos, pero fracasó.

Figura 17. Algunos objetivos reflectores de telescopio. (a) Gregoriano. (b) Newtoniano. (c) Herscheliano. (d) De Cassegrain. La ventaja de este sistema es que la imagen se observa erecta. El principal problema de este diseño es que las superficies eran sumamente difíciles de construir. Robert Hooke fue el primero que logró en 1974 construir un telescopio gregoriano, pero sin resultados muy exitosos. La superficie ideal para el espejo primario es la de un hiperboloide de revolución, y la del secundario es la de un elipsoide, también con simetría de revolución. El siguiente intento de lograr un telescopio reflector fue el de Sir Isaac Newton (1645-1727), quien en mayo de 1672 escribió: "La Optica promota del señor Gregory acaba de caer en mis manos... y tuve así la ocasión de considerar ese tipo de construcciones. " Newton consideraba que el telescopio reflector era la única alternativa razonable para evitar la aberración cromática de las lentes, pues escribió: Cuando comprendí esto, abandoné mis anteriores trabajos sobre cristal; porque vi que la perfección de los telescopios estaba hasta la fecha

limitada no tanto por el logro de cristales exactamente configurados de acuerdo con las prescripciones de los autores de óptica (lo cual todos han conseguido más o menos hasta ahora) sino porque esa luz es en sí misma una mezcla heterogénea de rayos diferentemente refrangibles. Así pues, por muy exactamente configurados que fueran los cristales para reunir todo tipo de rayos en un solo punto, no podían lograrlo plenamente, puesto que aun teniendo la misma incidencia sobre el mismo medio estaban sujetos a sufrir distintas refracciones. Ni, pensé, tras comprobar lo grande que era la diferencia de refrangibilidad, podrían llegar los telescopios a una perfección superior a la que tienen ahora. El telescopio construido por Newton tenía una amplificación aproximadamente de 40 y la configuración que se ustra en la figura 17(b). El espejo era metálico, de una aleación conocida entonces como metal de campana y que constaba de seis partes de cobre y dos de estaño. Newton propuso que el espejo tuviera configuración esférica, aunque ya sabía que lo ideal era un paraboloide de revolución. La razón era de tipo práctico, pues una buena superficie óptica era muy difícil de construir y de probar. Newton sólo construyó dos pequeños telescopios reflectores, que se asemejaban más a un juguete por su gran cantidad de imperfecciones ópticas. La noticia sobre el telescopio construido por Newton corrió rápidamente entre los científicos de la época, y no pasó mucho tiempo sin que los rumores llegaran a los miembros de la Royal Society, que erróneamente consideraron que Newton era el inventor. Pero con justicia, a pesar de no ser el inventor, hay que concederle a Newton el mérito de un logro técnico muy importante. Bajo presión de sus colegas, Newton le prestó su telescopio a Barrow, quien lo llevó orgullosamente a Londres a finales de 1671, donde causó auténtica sensación. Newton presentó su telescopio a la Royal Society al ser elegido como fellow en 1672. Después de Newton, varios investigadores, entre otros Robert Hooke, construyeron telescopios reflectores, pero el primer telescopio reflector digno de tal nombre, por su alto grado de perfección, fue construido por John Hadley en 1722. Con este telescopio fue posible medir el diámetro angular de Venus. Bajo el liderazgo de Hadley se logró un gran avance en las técnicas para el pulido de los espejos metálicos. Como la relación focal del telescopio de Hadley era grande (f /1O), no fue necesario darle forma parabólica al espejo, sino que fue suficiente con una forma esférica. Con este telescopio se efectuaron observaciones que desembocaron en descubrimientos astronómicos tales como la división y sombra de los anillos de Saturno, la sombra proyectada sobre Júpiter por sus satélites y muchos otros. Este tipo de telescopio es muy popular ahora entre los aficionados a la astronomía, por ser uno de los más fáciles de construir, como veremos más adelante en este libro. El espejo del telescopio reflector newtoniano tiene una distancia focal f igual a la mitad del radio de curvatura r del espejo, por lo que podemos escribir:

(26)

Además del telescopio newtoniano, existen otras configuraciones. El telescopio inventado por Sir William Herschel en 1782 está formado por un paraboloide fuera de eje, como se muestra en la figura 17(c). Se propuso como alternativa para substituir al de Newton, eliminando la necesidad del pequeño espejo diagonal, lo cual era muy bueno dada la dificultad de metalizar el vidrio o de pulir el metal. Cada espejo introducía un mínimo de 40% de pérdidas luminosas, además de las aberraciones debidas a las imperfecciones del espejo. Herschel construyó un telescopio con 12.19 m de distancia focal. Con sus telescopios, Herschel logró avances muy importantes tanto en astronomía como en tecnología de telescopios. Modernamente esta configuración ya no se usa debido a la dificultad para obtener buenas paraboloides fuera de eje, y a la incomodidad de la posición de observación. La configuración que se muestra en la figura 17(d) fue inventada por Guillaume Cassegrain, escultor al servicio de Luis XIV, en Francia, en 1672. Cassegrain propuso que los espejos fueran esféricos, por lo que fue

injustamente criticado por Newton, cuando él mismo había usado un espejo esférico en su telescopio. En 1861, William Lasell construyó en Malta dos de los mayores telescopios reflectores con espejo metálico, con configuración newtoniana. Uno de ellos tenía un diámetro de 60 centímetros, y con él descubrió el satélite Tritón de Neptuno. El segundo telescopio tenía un diámetro de 120 centímetros e incluía la innovación de tener montura ecuatorial, como se describe en la sección para monturas en este libro. El siguiente telescopio reflector en construirse fue el llamado "gran telescopio de Melbourne", en Sydney, Australia. De acuerdo con la Royal Society y la British Association, se planeaba construir un telescopio de gran potencia óptica, para lo cual se nombró un comité formado por Lassell, Airy, Adams, Lord Rosse, Nasmyth, John Herschel y todo el Consejo de la Royal Society. Después de detallados estudios, se decidió construir un telescopio tipo Cassegrain con espejos metálicos, con diámetro de 120 centímetros. Por lo difícil que se veía el proyecto, Lassell ofreció regalar su telescopio de 60 centímetros, pero no se lo aceptaron por pequeño. Entonces ofreció su telescopio de 120 centímetros, pero tampoco lo aceptaron por grande e incómodo. El telescopio se construyó, con un costo muy elevado, pero el resultado fue una imagen pésima. La principal causa del fracaso fue no haber hecho los espejos de vidrio y luego metalizarlos con el proceso químico recién descubierto por Leon Foucault en Francia. Se consideró esta posibilidad, pero luego se descartó por considerarla muy nueva para ser confiable. El fracaso, que se conoce como la "gran calamidad de Melbourne", fue tan grande que desalentó por completo la construcción de más telescopios reflectores, y a partir de entonces por muchos años se le dio preferencia a la construcción de los telescopios refractores. Después de muchos años y con más confianza en las técnicas que Jean Bernard Leon Foucault desarrolló, una para depositar plata sobre el vidrio, y otra aún muy usada y conocida para determinar la calidad de una superficie óptica, los telescopios reflectores se hicieron mucho más populares que los refractores. Los telescopios astronómicos modernos son ahora casi todos de este tipo. LOS ESPEJOS CÓNICOS

Figura 18. Secciones cónicas . Es frecuente en los sistemas ópticos, sobre todo en los telescopios, que la superficie esférica tenga que ser sustituida por una cónica de revolución con el fin de eliminar las aberraciones, sobre todo la de esfericidad. Una superficie cónica de revolución es aquella que se obtiene rotando una curva cónica alrededor de uno de sus ejes de simetría. Estas curvas, que fueron estudiadas por Descartes, se denominan cónicas porque se obtienen haciendo cortes a un cono, como se ilustra en la figura 18. La geometría analítica se encarga de estudiar con detalle las propiedades de estas curvas, y cada una de ellas se representa por una ecuación característica. Por razones sencillas de comprender, en óptica conviene expresar estas curvas por una sola ecuación general, en la que estén contenidas todas las cónicas, las cuales se pueden obtener simplemente cambiando un parámetro que

representaremos por K. Este parámetro está relacionado con la llamada excentricidad e, que se estudia en la geometría analítica por medio de la relación: K = — e². Esta ecuación que representa una superficie óptica es:

(27)

donde c es la curvatura cerca del origen, la cual es el inverso del radio de curvatura (c = 1 / r). S es la distancia del eje óptico a un punto sobre la superficie, y z es la sagita de la superficie. La constante K, a la que llamamos constante de conicidad, es entonces la que determina el tipo de superficie, según el siguiente cuadro: CUADRO 6. Tipo de superficie, según la constante de conicidad

Hiperboloide Paraboloide Esferoide prolato o elipsoide (Elipse rotada sobre su eje mayor) Esfera Esferoide oblato (Elipse rotada sobre su eje menor)

K