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