Il telescopio riflettore

Nei primi modelli di telescopio riflettore lo specchio veniva costruito partendo da un unico blocco di vetro di forma cilindrica e asportando per abrasione progressiva il materiale fino ad arrivare alla forma voluta. In seguito la superficie del vetro veniva argentata per ottenere l’effetto specchio.

Con la tecnica di levigazione di blocchi di vetro appena vista, superando ovviamente difficoltà tecniche enormi, si può però raggiungere al massimo il diametro di 6 metri, come ad esempio per lo strumento dell’osservatorio russo di Zelenciukskaja (Caucaso).

Oltre questa misura i problemi tecnici legati alla costruzione diventano assolutamente insormontabili e ogni possibile accorgimento porta ad un peggioramento della qualità dell’immagine anziché ad un miglioramento: si tratta quindi di un limite fisico attualmente invalicable. Per questa ragione i moderni telescopi a riflessione da ricerca hanno specchi costruiti con una speciale tecnica di assemblaggio di sezioni combinate una con l’altra per formare superfici enormi, in maniera tale da superare la soglia tecnica dei 6 metri di diametro del monoblocco. Questi specchi compositi usano vetri con una struttura interna a nido d’ape, che ha anche il pregio di alleggerire il tutto.

Il motivo per cui si utilizza il vetro nella costruzione degli specchi è assai semplice: questo materiale risponde infatti a due requisiti basilari, ossia la duttilità di lavorazione e il coefficiente di escursione termica davvero basso. Sono questi in definitiva, e non altri, i motivi per cui la componente base degli specchi dei telescopi a riflessione è il vetro. Una volta lavorato fino a raggiungere il profilo esatto della figura geometrica richiesta, che può essere una parabola o un’iperbole, il vetro serve solo come superficie di supporto per la lamina specchiante.

Sulla superficie del vetro, accuratamente levigata, viene infatti depositato un sottilissimo strato di alluminio. Il delicato procedimento, che prende appunto il nome di “alluminatura” e viene fatto in apposite camere sotto vuoto spinto, rende il vetro perfettamente riflettente e adatto a raccogliere la radiazione luminosa stellare, riflettendola amplificata. Fino a tutti gli anni quaranta il vetro usato era il pyrex, ma negli anni sessanta e settanta l’industria riusci a mettere in produzione vetri di qualità ancora migliore, nei quali la componente silicea era mescolata a materiali ceramici.

Configurazioni ottiche

Se è vero che il telescopio riflettore, il più diffuso in assoluto, si basa sul principio dell specchio parabolico che concentra i raggi sul punto di fuoco, è anche vero che il modo in cui esso e gli altri elementi componenti il telescopio, come il piccolo specchio che devia i raggi verso l’oculare, e l’oculare stesso, possono essere collocati in maniera diversa.

Ecco nascere le configurazioni ottiche, ossia le diverse sistemazioni dei vari componenti del telescopio riflettore, dalle quali dipende il particolare tipo di percorso che i raggi luminosi compiono in funzione delle superfici riflettenti (sferiche oppure piane) e rifrangenti che incontrano sul loro cammino. Ciascuna delle numerose configurazioni ottiche esistenti ha pregi e difetti, e risponde a differenti esigenze operative.

Telescopio riflettore in configurazione Newton

I riflettori della classe Newton usano per lo più uno specchio principale di forma concava, al quale è demandato il compito di concentrare il fascio ottico in avanti. Poco prima del punto di fuoco viene posizionato un secondo specchio, piano e di forma ellittica, inclinato a 45 gradi per deviare il fascio luminoso verso il lato del tubo dove sono il sistema di messa a fuoco e l’oculare.

Per ridurre il rischio di aberrazione sferica è necessario che lo specchio primario abbia una curvatura a sezione parabolica anziché sferica. Lo specchio secondario viene tenuto in posizione da una intelaiatura a raggi detta crociera (o spider in inlgese), che deve essere il meno visibile possibile per non causare luci riflesse.

Pregi
Il maggior pregio della configurazione Newton è la semplicità di costruzione, che ha contribuito non poco alla sua enorme diffusione presso il vasto pubblico degli astrofili, ma anche alla possibilità di realizzare strumenti di diametro assai grande anche da parte di autocostruttori. Astronomicamente parlando i telescopi Newton sono adatti per ogni tipo di osservazione; la loro predilezione verso una categoria di oggetti galattici piuttosto che un’altra nasce dall’influenza che il rapporto di apertura ha sulle prestazioni: se spinto a f/7 e oltre diventano eccellenti per osservare i pianeti sistema solare, in quanto l’ostruzione causata dallo specchio secondario diventa davvero bassa. Se il rapporto di apertura viene forzato a f/4 essi diventano splendidi per la fotografia astronomica di oggetti nel cielo profondo.

Difetti
Il difetto principale dei telescopi a configurazione Newton è la presenza del cosiddetto “coma” cioè una aberrazione extra-assiale che può arrivare a livelli molto fastidiosi, soprattutto nei modelli a corto fuoco. In ogni caso è un difetto rimediabile in fase progettuale con l’adozione di un gruppo di lenti correttrici inserite lungo il cammino del fascio luminoso. Un’altro grosso difetto sta nell’ingombro, che diventa notevole nei modelli di grande apertura. Da non sottovalutare del tutto l’effetto disturbo provocato dai moti convettivi che si creano per via del tubo aperto alla sommità e che possono provocare un lieve ma visibile decadimento della qualità dell’immagine osservata.

Telescopio riflettore in configurazione Cassegrain

Il telescopio riflettore in configurazione Cassegrain è formato da due diversi specchi. Il primario ha curvatura sferica ed è parabolizzato; il secondario ha curvatura ellittica ed è iperbolizzato. Lo specchio primario viene forato centralmente e l’oculare per l’osservazione viene posizionato dietro ad esso, al termine del tubo dalla parte opposta all’apertura questo.

Il percorso dei raggi luminosi in questo caso compie un doppio tragitto all’interno del tubo ottico e questo permette di ottenere lunghe focali pur mantenendo abbastanza compatta la lunghezza fisica dello strumento. Il principio è semplice: lo specchio primario raccoglie i raggi luminosi che entrano nel tubo e li fa convergere nel punto di fuoco dove si trova il secondario, che raccoglie a sua volta i raggi convergenti e li pilota verso il foro al centro del primario.

Telescopio riflettore in configurazione Nasmyth

Il telescopio riflettore in configurazione Nasmyth è una variante della Cassegrain alla quale viene aggiunto un terzo specchio piano. È posizionato lungo l’asse di declinazione strumentale e serve ad “estrarre” il fuoco all’interno dell’asse; in tal modo l’osservazione avviene all’estremità dell’asse di declinazione dove sono montati gli strumenti di osservazione. Naturalmente in questa configurazione lo specchio primario non viene più forato.

Telescopio riflettore in configurazione Ritchey-Chrétien

Quella di Ritchey-Chrétien è una configurazione che permette di realizzare telescopi di tipo “aplanatico”, esenti quindi da aberrazioni di tipo sferico e da coma. È formato da due specchi dotati di superfici particolari, non classiche dal punto di vista ottico, e possiede un campo ottico utile che va da 0,8 a 1,5 gradi. Per poter funzionare bene richiede una lente speciale detta “spianatrice di campo”.

La tecnica della configurazione Ritchey-Chrétien è molto sofisticata ed è spesso utilizzata in strumenti professionali per aerofotogrammetria. Il vantaggio di questa configurazione ottica è la grande compattezza dello strumento che si riesce ad ottenere, dato che il tubo può arrivare ad essere lungo anche metà della lunghezza focale. Per poter accorciare ulteriormente la struttura portante è necessario ricorrere alla configurazione Maksutov.

Telescopio Cassegrain e suoi derivati

La gran parte dei telescopi attualmente in uso è progettato secondo la configurazione Newton o Cassegrain, con lunga focale e ridotto campo di vista con notevole ingrandimento. Generalmente sono dotati di uno specchio primario forato, un sistema di messa a fuoco newtoniano, e un braccio meccanico che permette di montare diversi specchi secondari.

Una nuova era nella costruzione dei telescopi è stata inaugurata dalla produzione del MMT; si tratta di un telescopio “ad apertura multipla” formato da sei segmenti che formano uno specchio virtuale del diametro di 4 metri e mezzo. È stato seguito a breve dal Keck, un telescopio segmentato del diametro virtuale di 10 metri.

La nuova generazione di telescopi attualmente in fase di costruzione prevede specchi primari con un diametro che oscilla tra 8 e 10 metri. Si tratta di specchi molto sottili e deformabili che vengono tenuti in posizione ottimale grazie al lavoro di una serie di attuatori meccanici controllati da computer. Con questa tecnologia sono in via di progettazione telescopi del diametro di 30, 50 e addirittura 100 metri.

Telescopio Schmidt Cassegrain

Meglio definito come “catadiottrico Schmidt-Cassegrain”, nasce da una variante della configurazione Cassegrain tradizionale. La sezione di entrambi gli specchi è sferica, ma all’inizio del percorso del fascio luminoso viene collocata una lastra correttrice dalla superficie asferica, che serve a introdurre un’aberrazione sferica uguale a quella che verrà prodotta dall’ottica a riflessione, ma naturalmente di segno opposto, in maniera che esse si annullino a vicenda.

Nei modelli commerciali con questo tipo di configurazione la messa a fuoco si ha spostando lo specchio primario lungo l’asse. I vantaggi offerti da questa configurazione sono la compattezza, con tutto giovamento della ridotta montatura e della facilità di trasporto, il tubo chiuso che mantiene basse le turbolenze e la praticità d’uso dell’ottica che lo rende versatile per ogni genere di osservazioni.

Il difetto maggiore viene dalla notevole ostruzione visiva prodotta dalla presenza dello specchio secondario e dal suo paraluce; essa provoca una visibile perdita di contrasto nei dettagli più fini di quel che si osserva. Per giunta la correzione dell’aberrazione sferica, pur se efficace grazie all’artificio della lastra di correzione, difficilmente raggiunge l’annullamento totale.

Telescopio Maksutov Cassegrain

Anche questo viene ben definito come un catadiottrico Maksutov-Cassegrain ed è una ennesima variante della configurazione Cassegrain classica. Entrambi gli specchi hanno sezione sferica e all’inizio del percorso del fascio luminoso viene montato un “correttore a menisco”.

Esso ha entrambe le superfici sferiche e la sua funzione è quelal di introdurre nel sistema ottico un’aberrazione sferica di valore uguale a quella prodotta dall’ottica a riflessione del telescopio, ma di segno opposto, in maniera da annullarla. Lo stesso principio usato nel precedente telescopio per l’aberrazione cromatica. La configurazione Maksutov-Cassegrain classica secondo Gregory prevede che lo specchio secondario sia ottenuto “alluminando” la parte centrale interna del menisco correttore.

Questo trucco costruttivo riduce notevolmente l’ostruzione centrale e rende molto più semplice sia la struttura ottica ma soprattutto quella meccanica, dato che non serve la presenza dello specchio secondario né del suo supporto. Questo permette di migliorare notevolmente il contrasto. Come tutte le medaglie anche questa ha il suo rovescio, che consiste dell’esigenza di avere una lunga focale sul piano ottico.

Nella variante di configurazione detta Ru-Mak introduce invece uno specchio secondario (purtroppo con relativo supporto come negli Schmidt-Cassegrain) e consente di raggiungere rapporti di apertura più versatili. I vantaggi di questa configurazione sono la compattezza, il tubo chiuso con ridotta turbolenza e l’aplanaticità, che abbatte il rischio di aberrazione sferica. Un problema operativo nasce invece dal fatto che questi strumenti necessitano di un lungo periodo di acclimatamento termico, imposto dallo spessore del menisco.

Spesso i produttori istallano appositi ventilatori per agevolare l’equilibrio della temperatura interno/esterno. Sono telescopi sono molto validi per osservare i pianeti del sistema solare, le stelle doppie e oggetti del fondo cielo; purtroppo il loro campo corretto è assai piccolo e ciò li penalizza nell’uso fotografico.