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PRATICA - I Telescopi

 “…Si dice che alcuni mercanti Fenici approdati sulle rive del fiume Belos in Palestina non trovando una 
pietra su cui appoggiare il cibo per scaldarlo al fuoco usarono blocchi di salnitro che avevano nel carico 
della nave; il salnitro esposto al calore del fuoco si sciolse sulla sabbia ricca di quarzo della riva e generò 
rivoli di un liquido sconosciuto che si solidificò in bolle trasparenti: fu questa l'origine del vetro…”  
Plinio il Vecchio, Storia Naturale (I sec. d.C.)

 
L’astronomia ottica mosse i primi passi nel 1200 grazie alle ricerche di  Roger Bacon, filosofo e scienziato inglese.
Considerato una delle menti più intelligenti di tutti i tempi, Bacon si rifiutò di seguire ciecamente le autorità, sia sul piano teologico che su quello scientifico. Nella sua Opus Majus (nella quale troviamo trattati di matematica, ottica e posizioni dei corpi celesti) sostiene la teoria della sfericità della terra  ed anticipa successive invenzioni come il microscopio, il telescopio e gli occhiali. Pagine con studi di ottica di Bacon  
Studiando le proprietà delle lenti piane convesse ottenute sezionando una sfera di vetro il frate notò che l’ingrandimento ottenibile era determinato dalla rifrazione dell’immagine e che esso dipendeva dalla lunghezza focale della lente e dalla distanza su cui si poneva l’occhio.  
Si diffusero così i primi modelli di occhiali da vista ma per un uso astronomico delle lenti si dovrà  attendere il 1608 quando   Hans Lippershey, ottico tedesco stabilitosi in Olanda, creerà e diffonderà il primo modello di telescopio.  
Il 2 ottobre 1608, anticipando di poche settimane Jacob Metius, Lippershey fu il primo a presentare domanda di brevetto del primo modello semplice di telescopio rifrattori.

Questo nuovo strumento fu chiamato “vetro prospettico olandese” e permetteva un           
ingrandimento di tre volte. Era il 1608, l’universo era un luogo immutabile e perfetto e la Terra ne era il    
centro. 
Nella primavera del 1609  Galileo Galilei ricevette un esemplare del nuovo strumento. 
Sebbene non  possedesse sufficienti  nozioni  di  ottica,  lo perfezionò e lo adattò per l'osservazione dei   corpi celesti. Il cannocchiale di Galileo poteva ingrandire gli oggetti di 20-30 volte.

 
Il 21 agosto dello stesso anno Galilei lo presentò come propria invenzione al governo veneziano che lo nominò a vita matematico primario dello  studio di Pisa e  filosofo granducale. 
Il cannocchiale galileiano,  nella sua forma più semplice, è composto da due lenti: l'obiettivo è costituito da una singola lente convergente e l’oculare da una singola lente divergente collocata prima del fuoco.  
Il vantaggio del cannocchiale galileiano, oggi usato nei binocoli da teatro, è quello di fornire un'immagine diritta senza ricorrere ad un gruppo erettore.  
Per contro questo tipo di configurazione ha diversi svantaggi: gli ingrandimenti ottenibili sono ancora troppo limitati e le immagini soffrono di aberrazione cromatica per cui la messa a fuoco risulta spesso difficile a causa del diverso valore di rifrazione delle diverse lunghezze d'onda che compongono la luce. 
Galilei, col suo umile cannocchiale, scoprì i crateri lunari, le fasi di Venere,  i quattro satelliti medicei di Giove e che Saturno aveva una forma particolare dovuta agli anelli che sarebbero stati scoperti poco dopo.

Nel 1616 un altro grande protagonista dell’astronomia italiana,  Niccolò Zucchi, appassionatosi di astronomia in seguito ad un incontro con Giovanni Keplero, nel tentativo di risolvere il problema dell’aberrazione cromatica, ebbe l’idea di utilizzare come obiettivo uno specchio concavo al posto della lente e realizzò il primo telescopio riflettore. Grazie al nuovo telescopio Zucchi poté osservare le fasce sull'atmosfera di Giove e le macchie sulla superficie di Marte. 
Nel 1663 James Gregory, astronomo scozzese, pubblicò un libro dal titolo Optica Promota nel quale sviluppò la teoria dell'ottica e progettò un nuovo tipo di telescopio riflettore.  Prendendo spunto da questo libro Robert Hooke  costruì il primo telescopio gregoriano che gli permise di scoprire la grande macchia rossa di Giove, di dimostrare la rotazione di Giove intorno al suo asse e di misurare il periodo di rotazione di Marte. 
Il telescopio gregoriano è costituito da due specchi concavi: lo specchio primario raccoglie la luce e la fa convergere verso un fuoco posto davanti allo specchio secondario; quest'ultimo riporta il fascio di luce verso lo specchio primario, al centro del quale è posto un foro che contiene l'oculare. 
Questa configurazione è ancora usata in diversi telescopi e radiotelescopi di grandi  dimensioni tra i quali il  Large Binocular Telescope in Arizona e i  Telescopi Magellano dell'Osservatorio di Las Campanas, in Cile.

Nel 1666  Isaac Newton analizzò i difetti visivi del telescopio ed in particolare il fenomeno degli anelli concentrici, oggi chiamati anelli di Newton,  e capì che erano dovuti alla riflessione della luce tra due superfici: una sferica e l'altra piana. 
Per ovviare a questo problema Newton costruì un telescopio riflettore con un grande  specchio concavo che potesse far convergere i raggi luminosi in un altro specchietto più piccolo inclinato di 45° per l’osservazione   all'oculare.  
Grazie allo specchio concavo l'immagine dell'oggetto risultò notevolmente ingrandita e senza la minima aberrazione cromatica. Nel 1672  Laurent  Cassegrain   modificò  il   telescopio proposto da Gregory  costruendo un modello che prese il suo nome.  
Il telescopio Cassegrain è costituito  da due specchi: il primario, sferico e parabolizzato, è forato e l'osservazione della sorgente luminosa avviene dietro a questo; il secondario è ellittico iperbolizzato.   
I cannocchiali di Galilei - Museo di Fisica e storia naturale di Firenze.
La combinazione Cassegrain è ancora oggi molto diffusa.  
Il percorso luminoso segue un doppio tragitto all'interno del tubo ottico e consente di avere focali 
lunghe anche in uno strumento abbastanza compatto.  
La difficoltà di produrre specchi di buona qualità spinse gli ottici  a tornare su strumenti rifrattori       
perfezionandoli per correggere le aberrazioni. 
John Dollond, titolare di uno dei più famosi laboratori per la costruzione di strumenti scientifici d'Europa,  tentò invano di realizzare un sistema ottico sulla base degli studi di Newton. Nel 1754 venne in possesso di una memoria di Samuel Klingenstierna che contestava gli esperimenti di Newton e ne proponeva di nuovi. Decise di utilizzare subiti quei   suggerimenti e sperimentò diverse combinazioni di vetri a bassa e  alta dispersione, che gli permisero di realizzare  obiettivi acromatici composti da una lente convergente in crown e da una divergente in flint. Gli esperimenti produssero ottimi risultati e nel 1758 mise in vendita i primi telescopi acromatici di 1,5 metri di focale. Nel 1765 suo figlio Peter, 
succeduto alla guida del laboratorio, propose un obiettivo a tre lenti, due concave di  crown e una convessa di  flint.       
Secondo alcuni testi Dollond si limitò semplicemente a brevettare e sfruttare commercialmente gli esperimenti di Chester Hall, avvocato inglese. Ad ogni modo questa soluzione consentì di ridurre  l’aberrazione sferica e di produrre obiettivi di  dimensioni maggiori a parità di focale. 
L’attenzione tornò momentaneamente sui telescopi rifrattori che non riuscirono però a soppiantare i telescopi riflettori.   
Friedrich Herschel, giovane tedesco trasferitosi in Inghilterra per fare il musicista, appassionato di astronomia ma senza  i soldi necessari per comprare uno strumento, decise di costruirsene uno e la scarsa qualità del suo  primo telescopio lo spinse a migliorare ed a diventare in brevissimo tempo un abilissimo costruttore di strumenti astronomici. Con il suo  telescopio scoprì Urano.

Nella prima metà del 1800 Joseph Fraunhofer  perfezionò maggiormente le lenti acromatiche inserendo delle lenti di correzione. Da allora l'uso dei telescopi  rifrattori si diffuse rapidamente. 
Nel 1895 George Ellery Hale e Alvin Clark costruirono il più grande telescopio rifrattore per l’osservatorio di Yerkes dell'Università di Chicago con un obiettivo acromatico di 1 metro. L’edificio, terminato nel 1897, segnò una trasformazione nel modo di concepire gli osservatori: da luogo per la sola osservazione al telescopio divenne  un  osservatorio  moderno,   ricco di attrezzature migliorate da laboratori interni di fisica e chimica. 
Contemporaneamente si svilupparono telescopi riflettori con specchi sempre più larghi, le cui dimensioni erano frenate solo dal peso dello specchio e dalla dilatazione e contrazione termica del materiale al variare della temperatura. 
Lo specchio del telescopio riflettore di Rosse a Birr Castle in Irlanda, soprannominato il Leviatano,  lungo 16,76 m., aveva un diametro di m. 1,83 e pesava 3808 kg. Costruito nel 1845 era il più grande telescopio al mondo dell'epoca.  
Detenne questo record per molti anni e venne superato solo nel 1917 dall'Hooker Telescope, grande 2,50 metri, superato a sua volta solo nel 1948 dal telescopio di Monte Palomar di cinque metri di diametro. 
Nel ‘900 grazie a  Bernhard Valdemar Schmidt  furono fatti ulteriori passi  avanti nella configurazione dei telescopi a riflessione. Schmidt ideò un  procedimento tecnico, principalmente rivolto all’astrofotografia, che gli consentì di costruire un sistema  ottico, detto a camera Schmidt,  che gli permise di  eseguire fotografie esenti da aberrazione ottica, da coma e da astigmatismo. 
Rispetto ai comuni riflettori lo  Schmidt  consentiva l’ingresso di una notevole luminosità, tanto da ottenere foto con tempi bassi. Successive configurazioni hanno permesso la creazione di modelli misti come  lo Schmidt-Cassegrain. 
I telescopi, dal semplice cannocchiale di Galileo, si sono evoluti fino a  raggiungere dimensioni gigantesche, questo perché la capacità di osservare l’universo in profondità è proporzionale al diametro del telescopio: maggiore è il suo diametro migliore sarà la sua capacità di raccogliere anche la luce più 
debole. 
Per evitare gli effetti dell’inquinamento luminoso i maggiori telescopi oggi  esistenti sono stati posizionati in zone molto isolate come deserti o montagne altissime. 
Sulle isole Hawaii, a 4.145 metri di  altezza sulla sommità del vulcano Mauna Kea, troviamo i telescopi gemelli Keck I e Keck II, i loro specchi raggiungono i 10 metri di diametro. 
Il Gran Telescopio Canarias (GTC), gestito dall' Observatorio del Roque de Los Muchachos, è  un  telescopio riflettore con  uno specchio  primario di 10,4 metri  posto su una montagna a 2.267 metri di altezza dell'isola di La Palma, nelle isole Canarie. È attualmente il telescopio singolo con la più grande apertura del mondo. Infine, nel deserto dell’Atacama in Cile troviamo il più grande complesso astronomico mai costruito. Il Very Large  Telescope  (VLT) è nato grazie ad un consorzio Europeo, di cui fa parte anche l’Italia, ed è costituito da 4 grandi  telescopi da 8,2 metri l’uno, che attraverso una raffinata tecnologia (l’interferometria) possono lavorare insieme come se fossero un unico telescopio da 16 metri. 
La collaborazione tra la NASA e l’ESA ha permesso la creazione di uno strumento che potesse osservare l’universo senza la distorsione dovuta alla nostra atmosfera: il telescopio spaziale Hubble. Questo telescopio, lanciato il 24 aprile del 1990 è in orbita attorno alla Terra a circa 600 km di altezza, 
negli strati più esterni dell’atmosfera. Hubble è un riflettore lungo 13,2   metri, pesa 11 tonnellate ed ha un diametro di 2,4 metri. Per la sua    realizzazione sono stati spesi 2 miliardi di dollari.  
Questi ed altri strumenti creati a partire dalla metà del ‘900, lavorando su differenti bande dello spettro elettromagnetico, ci hanno permesso di  osservare il cosmo in maniera diversa e di scoprire un universo    meraviglioso, svelandoci segreti fino a soli 400 anni fa impensabili. 

Carmen Treglia

Data creazione : 08/05/2011 - 16:46
Ultima modifica : 08/05/2011 - 16:46
Categoria : PRATICA
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