Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Coletores de radiação
Telescópios Óticos
Atualização: 16/05/2013
Bibliografia
⇨Kitchin – Astrophysical Techniques (5th Ed, 2009), Cap. 1 (par)
⇨Léna – Observational Astrophysics (2nd Ed, 1998), Cap. 4 (par)
⇨Birney – Observational Astronomy (2nd Ed, 2008), Cap.6
⇨Smith – Observational Astrophysics (1995) Cap. 2
⇨Walker – Astronomical Observations (1995), Cap. 2 e 3
⇨www.das.inpe.br/~claudia.rodrigues/ www.if.ufrgs.br/~santiago/
www.astro.caltech.edu/~george/ ngala.as.arizona.edu/dennis/
Bibliografia
⇨Roy & Clarke – Astronomy: Principles and Practice (4th Ed, 2003)
⇨Roth – Handbook of Practical Astronomy (2009), Cap. 4
⇨Schroeder – Astronomical Optics (2nd Ed, 2000), vários caps.
⇨Notas de Aula, Prof. Antonio Mário Magalhães
Introdução
●Lippershey (1608), Galileu (1609)
●Funções principais:
⇨coleta de energia ( área coletora)
⇨formação da imagem: resolução angular
●Aumento da área coletora
⇨detecção de objetos fracos
⇨maior resolução angular
Resolução angular
É o menor ângulo que
pode ser discernido
Resolução angular: difração de uma fenda ⇨A difração da luz impõe um limite na resolução angular
⇨o padrão de difração de uma abertura (fenda) de
largura d é:
© Kitchin
Resolução angular: difração de uma fenda
3l/d 2l/d l/d -l/d -2l/d -3l/d
Disco de Airy: disco central definido pelo primeiro mínimo
Resolução angular: difração de uma abertura circular
Primeiro zero da
função de Bessel
Le
nte
padrão de difração
Roy & Clarke
(c) Kitchin
Resolução angular: abertura circular função de Airy
~ transformada
Fourier da
abertura do
telescopio
Primeiro zero da
função de Bessel Roy & Clarke Note: r = d/2
O limite de resolução é quando o máximo de um disco de Airy é sobreposto no primeiro mínimo da outra imagem
Resolução angular: Critério de Rayleigh
O primeiro
mínimo ocorre a
um raio [rad]:
(c) Kitchin
= 1.22 λ /d
HST (2.4m)
~ 0,05”
Resolução angular: além do critério de Rayleigh
Critério de Rayleigh: = 1.220 λ / d Mas o critério empírico de Dawes ~10% menor
Na pratica é difícil atingir
sequer o limite de Rayleigh
devido às imperferções do
instrumento e às perturb.
da atmosfera terrestre
Roth
FWHM =
1.029 λ / d
Princípios de ótica
Lei de reflexão
=
Lei de
refração (Snell)
sin / sin = n2/n1
Tipos de coletor (objetiva)
Espelho: telesc. refletor
● Newton (1668) inventou o primeiro refletor factível
● Grandes telescopios são todos refletores
Lente: telescopio refrator ● Importância histórica (1608-9)
● Ainda usados para astronomia amadora
UCIrvine
O primeiro refletor?
© Wilson, Reflecting Telescope Optics, I
Foco, plano focal, distância focal distancia focal F, abertura da objetiva D
ww
w.a
nto
nin
e-e
ducation.c
o.u
k/P
hysic
s_A
2
F
D
(a.k.a. focal point)
focal length is the distance
to image an object at infinity
Lente
Fo
ca
l p
lan
e
Razão focal f/# distancia focal F, abertura da objetiva D, razão focal f/#
ww
w.a
nto
nin
e-e
ducation.c
o.u
k/P
hysic
s_A
2
F
D
Razão focal ≡ f-ratio ≡ f-number ≡ f/# = F/D
Short (low) f/ (e.g. f/5): faster: brighter: wider field of view
Lente
Fo
ca
l p
lan
e
Oculares, magnificação Razão focal= F / D
Magnificação m =F / f
Pupila saída d = D/m
Smith distância focal da objetiva dist. focal ocular
Le
nte
F f
D d
pupila
de saída
ocula
r
Light gathering power (LGP)
Smith distância focal da objetiva dist. focal ocular
Le
nte
F f
D d
pupila
de saída
ocula
r
Poder coletor (light gathering
power, LGP) é
área da objetiva
LGP= π (D/2)2
Pessoa jovem na
escuridade de ~7mm
Ex. telescopios com
respeito ao olho:
10cm: 200 maior
8m: 1.3x106 maior!
Tamanho físico da imagem, escala de placa
Image height
Le
ns
F
D
Escala de placa p = d/ds = 1/ F = 206265” / F
IAG: f/13.5; D=61cm. Qual a escala de placa?
F = 13.5 x 61cm = 8235 mm p = 25”/mm = 0.5”/20μm (1mm=103 μm)
Tamanho físico s da imagem :
s = F tan ~ F
Razão focal = F / D
s
Angular size of
image in radians
Focal distance
ircamera.as.arizona.edu
Field of view
Image height
Le
ns
F
D
Escala de placa p = d/ds = 1/ F = 206265” / F
s
Angular size of
image in radians
Focal distance
ircamera.as.arizona.edu
Using the same CCD chip on two telescopes with
different focal lengths affects the field of view and
image scale, but not the display size.
CCD: 9-micron pixels, 765x510 array
Telescope A: 500mm focal length
Telescope B: 1000mm focal length
A B
Telescopios refratores: Field of view
Escala de placa p = d/ds = 1/ F = 206265” / F
Using the same telescope with different CCDs affects
the field of view and display size, but not the image scale.
Telescope: 500mm focal length
CCD A: 9-micron pixels, 765x510 array
CCD B: 9-micron pixels, 1530x1020 array
A B Using different CCDs and different telescopes can
lead to any number of results, like for example
equivalent fields of view. In this case, a large CCD with
a long-focal-length scope gives the same field as a
small CCD on a short-focal-length scope, but the image
scale is greater on the larger instrument. The display
size is also considerably larger in the second image.
Telescope A: 400mm focal length
CCD A: 7.4-micron pixels, 640x480 array
Telescope B: 1250mm focal length
CCD B: 6.8-micron pixels, 2174x1482 array
B
A
●mecânica
⇨lente deve ser suportada pelas
laterais, e, pela falta de suporte
central, a lente tende a distorcer
●Tamanho do tubo
⇨Para diminuir as distorções (aber.
cromática/esférica) ou o peso da
lente, a dist. focal é grande,
elevando $$$. Ex: cúpulas enormes
●absorção da lente
⇨luz UV não passa
●Imperfeções na lente ou
burbulhas de ar
Telescopios refratores: desvantagens
Longest refractor (1m) at Yerkes observatory
Aberração cromática
⇨índice de refração n(λ),
assim a distância focal f(λ)
⇨correção com objetivas
“acromáticas” por fusão de
lentes (dubletos, tripletos,
etc): porém, não é total
Telescopios refratores: desvantagens
índice de refração n(λ), assim a distância focal f(λ)
Telescopios refratores: aberração cromática
© Kitchin
Refratores: desvantagens: coma
Coma
⇨Tb pode afetar
telescopios refletores
Roy & Clarke
© Kitchin: The severity of the coma at a given angular distance from the optical axis is:
1/(f/#)2
In Newtonian reflectors a focal ratio of f8 or larger gives acceptable coma for most purposes. At f3, coma will limit the useful field of view to about 1’ of arc
Refratores: desvantagens: astigmatismo
Astigmatismo
⇨Raios que passam pelo plano
tangencial e sagital não focalizam
no mesmo ponto
⇨Pode afetar tb refletores
Roy & Clarke
Outras aberrações
●Curvatura da imagem: objeto plano forma imagem curva, i.e. foco não é em um plano
●Distorção: variação da magnificação sobre o plano da imagem
Telescópios refletores I
●Objetiva: espelho
⇨Não sofre de aberração cromática
⇨O espelho de Newton foi esférico, mas a forma mais comum é de uma parábola, que faz foco em um único ponto
“Inventado” por Newton (1668) At least the first working reflector
Aberração esférica
Espelho
parabólico
Roy & Clarke
Espelho
esférico
(aberração
esférica)
Smith Tipos de foco: prime focus
P200 Palomar
Prime focus: f/3,3
Jesse
Greenstein at
prime focus cage
Smith Prime focus do Subaru (8m)
Subaru
f/1,83 ?
Prime focus do Blanco telescope (4m at CTIO)
Instalação da DECAM
DECAM (Dark Energy Camera)
2,2° FOV (62 CCDs) + 12 CCDs (guiagem e foco)
http://www.noao.edu/meetings/decam/media/DECam_Data_Handbook.pdf
4096 pix
2048 p
ix
153 pix
DECam
Fornax mosaic
© Dark Energy Survey Collaboration
NGC 1365 is a barred spiral galaxy around 60 million light years from Earth, located in the Fornax galactic cluster. © Dark Energy Survey Collaboration
Refletores: Newtonian focus
Newtonian
focus
Smith
½ grau fora do eixo
da imagem Kitchin
Refletores: qualidade da imagem do
prime/Newtonian
½ grau fora
do eixo da
imagem
5”
disco Airy
Imagem no
eixo
Imagem no
eixo
Smith
Prime
focus
Newtonian focus Kitchin
Refletores: foco Cassegrain
primário parabólico
Kitchin
secondário hiperbólico
⇨posição do
foco adequada
para colocar
instrumentos
⇨tel. compacto:
secundário
aumenta a dist.
focal do
telescópio
Refletores: foco Cassegrain
P200
Palomar
Palomar 5m: Último
grande telescopio
de tipo Cassegrain
Primário parabólico
secondário hiperbólico
Refletores: Ritchey-Chrétien telescope
George Ritchey's 24-
inch (60cm) reflecting
telescope, first RCT
constructed in 1927
secondário
hiperbólico
primário
hiperbólico
Kitchin
Variação do Cassegrain com primário hiperbólico: melhor qualidade
de imagem
Refletores: Ritchey-Chrétien telescope
SOAR: 4.1m, f/16
Nasa
secondário
hiperbólico
primário
hiperbólico
Cut through
HST
HST: 2.4m, fsys=57.6m, f/24 (comprimento do telescópio é de 13m)
LNA: 1.6m, f/10
Refletores: focos Nasmyth e Coudé
Grandes telescopios têm foco Nasmyth para grandes instrumentos, exceto o Gemini …
Nasmyth
⇨telescopio com montagem alta-azimutal
⇨espelho plano no eixo de altura
⇨posição do foco é fixa: independe do movimento do telescópio
⇨adequada para instrumentos pesados
Keck
Refletores: foco Coudé
Smith
Coudé: similar ao Nasmyth mas p/ montagem equatorial
⇨espectrógrafo f. Coudé no OPD
Kitchin
Foco
Coudé
The 48-inch (1.2m), Schmidt
Telescope (f/2.5; covers 70)
at Palomar. Map of the whole
Northern Hem. (basis for GSC)
Hubble
Refletores: outros focos
Refletores: problemas similares aos do refractor
●Esférica
●Coma
●Astigmatismo
●Curvat. da imagem
●Distorção
●Vinhetamento (Iluminação menos eficiente nas bordas do campo imageado)
Montagens: Equatorial
Birney
Montagens: Equatorial / German
Roy & Clarke
Montagens: Equatorial / Fork (Garfo)
Roth
Fork equatorial
2,2 m telescope at La Silla Fork mount Turma 2012, Astrofísica Observacional
© Fernando
2,2 m telescope at La Silla Fork mount
© Fernando
Montagens: Equatorial / Horseshoe (Ferradura)
Palomar 200 (replica)
Grandes telescopios
(<=5m) antigos tem
montura horseshoe
Montagens: Alta-azimutal Zénite
Gemini North
⇨comum nos grandes telescópios recentes
Altura
Azimute
●Montagem de trânsito
⇨Círculo meridiano (astrometria)
→IAG/USP – Valinhos
Smith
Smith Subaru has Prime + Nasmyth + Cassegrain focus
Subaru
Gemini tem apenas foco Cassegrain
SOAR: focos Nasmyth, mas não tem Cassegrain “puro”. São usados focos Cassegrains “dobrados” por um espelho plano (não pode fazer polarimetria devido ao espelho terciário)
O apontamento e a guiagem não são perfeitos em nenhuma montagem
⇨flexão mecânica da estrutura
⇨erros nas engrenagens
⇨refração atmosférica
⇨correção da guiagem é feita por guiders e auto-guiders
→indispensável para integrações longas
Outros focos: Gregorian
Parab. Parab.
Hiperb. Ellipsoid.
Parabol.
primary
Ellipsoidal
secondary
© T
o M
ea
su
re th
e S
ky, C
hro
me
y
RC: primary and secondary hyperbolic
Outros focos: Gregorian
Parabol.
primary
Ellipsoidal
secondary Magellan 6.5m telescopes
© T
o M
ea
su
re th
e S
ky, C
hro
me
y
Schmidt Camera (catadioptric telescope)
Parab. Parab.
Hiperb. Ellipsoid. Proposed by Bernhard Schmidt
(1879 – 1935) in 1929 telescópio híbrido:
lens+mirror
- espelho primário
esférico (sem coma
do parabólico)
- lente antes do
primário corrige
aberração esférica
- única aberração:
curvatura de campo
Schmidt Camera (catadioptric telescope) Proposed by Bernhard Schmidt in 1929
Spherical primary
Corrector lens
Photographic
film
© Kitchin
Spherical primary
(spherical aberration) Spherical primary + lens
eliminates aberration
Figures from Smiley et al. 1936, PA 44, 415
The 48 inch (1,22m) Oschin Schmidt
Telescope at the Palomar Observatory
Palomar Observatory Sky Survey - POSS
The Survey utilized 14-inch square
photographic plates, covering about 6° of
sky per side (approximately 36 square
degrees per plate). November 11, 1949 to
December 10, 1958.
http://stdatu.stsci.edu/cgi-bin/dss_form
The STScI Digitized Sky Survey
M31 from the
Digitized Sky Survey,
60 x 60 arcmin
Maksutov (catadioptric telescope)
Parab. Parab.
Hiperb. Ellipsoid.
Schmidt-Cassegrain (catadioptric telescope)
Parab. Parab.
Hiperb. Ellipsoid.
Spherical
primary
Elliptical secondary
(or spherical)
Corrector
plate (lens)
© T
o M
ea
su
re th
e S
ky, C
hro
me
y
Refletores : revestimento dos espelhos (mirror coating)
Refletores: revestimento do espelho ● Revestimento (coating)
Ótico-UV (alumínio) , IR: prata mic
ro.m
agnet.fs
u.e
du/p
rimer/lig
hta
ndcolo
r/
Aluminizado tel. 0.6m da
Serra da Piedade no LNA
⇨Ate há pouco a prata
não era muito usada
em grandes telescopios
pois o revestimento
desgasta-se
rapidamente (meses).
Desde 2004 o Gemini
utiliza prata protegida
Aluminizado do espelho primário do telescópio P200 (5m) http://www.youtube.com/watch?v=gxp6aMhoT9U
Gemini South : First large telescope with protected silver coating
Gemini S.
primary
Coating
chamber
Instruments
Ana (AGA5802
student) in front of
Gemini South
Refl
ecti
vit
y (
%)
Wavelength (nm) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
100
95
90
http://www.gemini.edu/node/16
Ag: better reflectivity and
less emissivity in the IR
Somente 50 g de prata
no M1 do Gemini
Field rotation in AltAzimutal telescopes
Left to right: Jorge + AGA5802 students
(Patricia, Fernando, Ana, Nathalia,
Viviane, Miguel, Marcelo, Andressa) @
NTT 3,6m telescope (La Silla, ESO),
April 2012
One of the NTT field de-rotators at a Nasmyth focus © Jorge M., La Silla, April 2012
Giant telescopes
76 Fig. 1.8, Lena, 3rd Ed.
GMT
VLT, Gemini, etc
Giant telescopes
77
GMT, TMT, ELT
Natu
re 4
52, 142-1
45 (
2008)
39 m
Telescópios gigantes
●A construção de telescópios com grandes espelhos esbarra em dificuldades
●Soluções
⇨espelho muito finos
⇨mosaico de espelhos
→ Keck: 10m = 36 x 1,8m
→ suporte de c/espelho é independente
(ótica ativa)
Os telescópios Keck de 10m foram inicialmente construídos e desenvolvidos pelo CALTECH e Universidade de California. What about USP?
Telescópios gigantes : Keck 10m
Jorge in front of a mirror segment of the Keck telescopes
(2003) in Mauna Kea mountain (Hawaii, USA) at 4205 m
Swinburne's Centre for Astrophysics & Supercomputing (Australia) staff
and students mark out the size of one Keck mirror. They have an
agreement to use up to 20 nights of Keck time. http://astronomy.swin.edu.au/keck/
Telescópios gigantes : 2 x Keck 10m
- Swinburne University tem 20 noites Keck ao ano - Australian National University (ANU) tem 15 noites Keck ao ano (gestão do novo diretor da Research School of Astronomy & Astrophysics da ANU). Orcamento da ANU = AU$886milhões? = 1,8 bilhões
- USP = 0 noites (orcamento R$5 bilhões)
GTC
HET
Las Campanas Pachon Roque de Los
Muchachos, La Palma
McDonald, Texas
Mt Graham, Arizona
Hawaii
Hawaii Hawaii
Mt. Hopkins,
AZ Hawaii
La Silla Siding
Spring
Australia
La Silla
3,6m
Blanco
4m
To
lolo
Paranal
SOAR
Pachon
Updated by J.M. on May 2nd, 2012
Kitt Peak Hawaii
La Palma Hawaii
Kitt Peak La Palma
Apache
Point, NM
• 7 X 8.4m Segments
• 18m focal length
• f/0.7 primary
• f/8 Gregorian focus
• 21.4m equiv. area
• 24.5m equiv. ang. res.
• 20-25’ FOV
The Giant Magellan Telescope
(GMT) 21,4 – 24,5m
Partners: Australia Limited (AU universities), ANU, Carnegie, Harvard, Korea ASI,
SAO, Univ. Texas, Texas A&M, Univ. Arizona, Univ Chicago
Artistic image of GMT
at Las Campanas
•Cost in 2008, US$600 milliion, cost as of May 2012, US$700 million
•Completion target in 2008 : 2017; completion target now : 2020
•Location - Las Campanas Observatory, Chile (2,516 meters)
•Height of telescope housing - 200 feet (61 meters)
The second of GMT’s seven 8.4 meter (27-foot) diameter primary mirrors was cast on 2012
January 14th at the University of Arizona's Steward Observatory Mirror Laboratory.
GMT Press Release (April 2, 2012)
GIANT TELESCOPE PROJECT PARTNERS
PASS ON FEDERAL FUNDS Pasadena, CA --The board of directors of the Giant
Magellan Telescope Organization (GMTO) has informed
the National Science Foundation (NSF) that they will not
participate in an upcoming funding opportunity. The
partners in the project feel that they are making such
rapid progress that they have chosen to press ahead at
full speed, looking to link up with the NSF at a later date.
With nearly half of the $700M needed to build the
observatory committed, the partners are confident that
they will complete the telescope.
GMT Press Release (March 23, 2012)
BIG BANG ON EARTH - BLASTING A
MOUNTAINTOP TO MINE THE SKY Astronomers have begun to blast 3 million cubic feet of rock from a
mountaintop in the Chilean Andes to make room for what will be the
world’s largest telescope when completed near the end of the decade. The
telescope will be located at the Carnegie Institution’s Las Campanas
Observatory - one of the world’s premier astronomical sites, known for its
pristine conditions and clear, dark skies. Over the next few months, more
than 70 controlled blasts will breakup the rock while leaving a solid bedrock
foundation for the telescope and its precision scientific instruments.
The TMT: 30-Meter
Telescope
The TMT Conceptual Design
• 30-meter filled aperture mirror
• 492 segments of 1.4m diameter
• Alt-azimuth mount
• Ritchey-Chrétien design
• f/1 primary, f/15 final focus
• Very AO-intensive
• Field of View = 20 arcmin
• Instruments located at Nasmyth
foci, multiple instruments on each
Nasmyth platform addressable by
agile tertiary mirror
First light (2008 estimate) ~ 2016.
2012 estimate : 2018
2013 estimate: completion in 2021?
The TMT project is an international partnership among Caltech, the University of California, and the Association of Canadian Universities for Research in Astronomy. The National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) joined TMT as a Collaborating Institution in 2008. The National Astronomical Observatories of the Chinese Academy of Sciences joined TMT as an Observer in 2009. India joined as an observer in 2010. China and India became TMT partners in 2012 COST in 2008: US$754 million COST in 2009: US$1 – 1.2 billion COST in 2013: US$1.3 billion
Artistic image, TMT @ Mauna Kea
700 crore proposed budget
1 crore = 10 million Indian rupees
700 crore = 132 million US$
India gets money for the TMT
Aperture: 42 m
Field of view: 10 arcminute diameter
Mounting: Nasmyth mount
Location: Cerro Armazones, Chile @ 3060 m
Housing: Dome
Start of operations:
2018 (planned)
Wavelength range:
blue atmospheric cut-off (300 nm) to mid-infrared (24 microns)
Instrumentation: 9 stations for fixed instruments
Pixel scale: at Nasmyth focus (F/17.7), 1 arcsecond on sky corresponds to 3.6 mm in the focal plane
European
Extremely Large
Telescope (E-ELT)
39,3 m (798 hexagonal 1.4 m mirror segments)
Early next decade
Cost about 1 billion euros
E-ELT and VLT vs Giza Pyramids
GMT = 5 Keck
TMT = 9 Keck
ELT = 15 Keck K
ec
k (1
0m
)
GMT
(23m) TMT (30m)
ELT (39,3 m)
8 m
SO
AR
OP
D