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Hoy es 31/07/2020


El Telescopio



Si has llegado a este lugar, es porque deseas aprender sobre los telescopios. Aquí te hablaremos de lo que son, de su funcionamiento, de su historia, de sus tipos y de los telescopios famosos. Si deseas hacer tu propio telescopio, haz clic aquí.


¿Qué es el telescopio?


El telescopio es un instrumento óptico que permite observar objetos lejanos con mucho más detalle que a simple vista al captar radiación electromagnética, tal como la luz. Es un utensilio fundamental en la astronomía, y cada desarrollo o perfeccionamiento de este instrumento ha permitido avances en nuestra comprensión del Universo.


Gracias al telescopio —desde que Galileo Galilei lo usó para observar la Luna, el planeta Júpiter y las estrellas— el ser humano pudo, por fin, empezar a conocer la verdadera naturaleza de los cuerpos celestes que nos rodean y nuestra ubicación en el universo.


Funcionamiento


Para explicar el funcionamiento del telescopio nos basaremos en sus configuraciónes más sencillas: la configuración de Galileo y la configuración de Kepler. Ambas se valen del fenómeno de la refracción de la luz para formar imágenes de objetos lejanos más próximas al observador, y aumentadas.


El principio básico de ambas configuraciones es que una primera lente, denominada objetivo, hace converger los rayos del objeto distante en un punto más cercano. Los rayos que llegan al objetivo son paralelos (objeto lejano) y por tanto convergen en una distancia igual a su distancia focal[1]. A su vez, mediante una segunda refracción en otra lente, denominada ocular, se produce la imagen final. Esta última se forma a partir de la imagen producida por el objetivo.


El anteojo de Galileo


Los primeros aparatos ópticos creados para observar objetos a largas distancias se denominaron anteojos. Históricamente no está del todo claro quién fue el creador del primer anteojo, pero si está claro que fue Galileo, en 1609, quien fabricó y presentó al senado de Venecia el primero registrado, introduciendo las mejoras necesarias en los ya existentes que permitieron utilizarlo como instrumento astronómico. Su estructura era la siguiente:


Estructura básica del anteojo de Galileo

Créditos de la imagen: Fisicalab


Contaba con dos lentes, el objetivo, más próximo al objeto y convergente (abombado en el centro), y el ocular, más próximo al ojo y divergente (abombado en los extremos).


Gracias a la estructura anterior se consigue una imagen virtual y aumentada, pero derecha, del objeto en cuestión. De esta manera, el anteojo de Galileo también era apto para utilizarse en observaciones terrestres siendo muy utilizado por marinos: el catalejo.


Configuración de Kepler


Un poco más tarde, en 1611, el alemán Johannes Kepler fue el primero en usar como ocular una lente convergente para observar objetos lejanos.


Estructura básica del telescopio de Kepler

Créditos de la imagen: Fisicalab


Al observar un cuerpo lejano, por ejemplo el planeta Saturno, el objetivo forma primeramente una imagen del mismo a una distancia igual a ƒobj[2] (ya que los rayos llegan práctiamente paralelos a la primera lente). En dicho punto se situa el foco objeto del ocular, ƒoc[3], que funciona entonces como una lupa, aumentando el ángulo subtendido sobre la retina, αƒ.


En la imagen anterior, el ángulo αi es el ángulo subtendido en la retina por el planeta Saturno cuando no utilizamos ningún instrumento óptico. Gracias al uso del telescopio, la imagen observada ocupa un ángulo mayor, αƒ, y por tanto lo veremos con mucho más detalle, como si estuviéramos más cerca.


Por otro lado, esta configuración permitía ampliar el campo de observación notablemente, aunque producía una mayor aberración esférica[4] e imágenes invertidas. La configuración de Kepler es la base del telescopio refractor y aún se usa en cámaras fotográficas modernas y, con algunas modificaciones, en prismáticos (también llamados binoculares o gemelos).


Prismáticos

Créditos de la imagen: Fisicalab


Un tipo de anteojo muy utilizado actualmente son los prismáticos, también llamados binoculares. Su diseño binocular permite la visión en tres dimensiones, también denominada visión estereoscópica, al ofrecer al observador una imagen ligeramente distinta para cada ojo. Reciben su nombre debido a los prismas de vidrio que, por reflexión interna total acortan la longitud del instrumento.


Historia


Hace ya más de 410 años, nació un invento que habría de redefinir nuestro lugar en el universo. Tachado en su momento como "el instrumento más diabólico de la historia", el telescopio sacudió la sociedad hasta sus raíces. Al alzar los ojos al cielo, nos convencimos de que éramos el centro de la creación y había razones para ello: desde nuestra perspectiva, todo parece girar en torno a la Tierra. Si alguien desafiaba esta noción del mundo, su voz era acallada por los poderes religiosos que la defendían. Pero, entre 1608 y 1609, un pequeño tubo con dos cristales en sus extremos lo cambió todo.


Aunque la fecha, lugar y autor no están muy claros, según una de las historias asociadas al descubrimiento, los hijos de Hans Lippershey jugaban con un par de lentes en su taller cuando notaron que, con cierta combinación de ellas, el tamaño de los objetos lejanos se ampliaba. Lippershey observó ese fenómeno y patentó un instrumento conocido como "kijker", que significa mirador. Lippershey era alemán, vivía en Holanda y patentó su invento en Bélgica, por lo que varios países reclaman el honor de su autoría. Sin embargo, como dijo Darwin, “en la ciencia el crédito es del que convence al mundo y no del primero que tiene la idea”; y es por eso que la gloria se la llevó Italia gracias a Galileo Galilei.


Pese a esto, recientes investigaciones del informático Nick Pelling divulgadas en la revista británica History Today, atribuyen la autoría a un gerundense llamado Juan Roget en 1590, cuyo invento habría sido copiado (según esta investigación) por Zacharias Janssen, quien el día 17 de octubre de 1608 (dos semanas después de que fuese presentado por Lippershey) intentó patentarlo. Poco antes, el día 14, Jacob Metius también había intentado patentarlo. Fueron estos hechos los que despertaron las suspicacias de Nick Pelling quien, basándose en las pesquisas de José María Simón de Guilleuma (1886-1965), sugiere que el legítimo inventor fue Juan Roget. En varios países se ha difundido la idea errónea de que el inventor fue el holandés Christiaan Huygens, quien nació mucho tiempo después.


Galileo Galilei, al recibir noticias de este invento, decidió diseñar y construir uno. En 1609 mostró el primer telescopio astronómico registrado. Gracias a él, hizo grandes descubrimientos en astronomía, entre los que destaca la observación, el 7 de enero de 1610, de cuatro de las lunas de Júpiter girando en una órbita en torno a este planeta.


Para montar las lentes de su primer instrumento, Galileo empleó un viejo tubo de órgano, y durante la noche estrenó su telescopio al apuntarlo a la Luna, las estrellas y el planeta Júpiter, que podía verse al anochecer. Además de ser el primer hombre en ver los cráteres de la Luna, y cientos de estrellas de escasa magnitud jamás vistas antes, su descubrimiento más importante fue el de los satélites de Júpiter, cuya observación durante varios días ratificó la teoría heliocéntrica de Copérnico y le hizo escribir su famoso tratado «Sidereus Nuncius» que de inmediato circuló por toda Europa. Nacía así la astronomía moderna.


Conocido hasta entonces como la lente espía, el nombre "telescopio" fue propuesto por el matemático griego Giovanni Demisiani el 14 de abril de 1611, durante una cena en Roma en honor de Galileo, una reunión en la que los asistentes pudieron observar las lunas de Júpiter por medio del aparato que el célebre astrónomo había traído consigo.


Las mejoras introducidas por el genio italiano, quien utilizó una lente convergente para el objetivo y una divergente para el ocular, permitieron usar el aparato como instrumento astronómico. Galileo acudió a los poderosos y les enseñó las lunas de Júpiter y las orejas de Saturno con el objetivo de “hacerles ver” y confiando en que no iba contra la Iglesia porque su propósito “no es determinar cómo van los cielos, sino cómo ir a ellos”. Sin embargo, Galileo pasaría sus últimos días en arresto domiciliario e intelectualmente olvidado.


El alemán Johannes Kepler fue el primero en usar dos lentes convexas que enfocaban los rayos en un mismo punto, creando el telescopio refractor en 1611. Kepler mejoró el instrumento de Galileo utilizando como ocular una lente convexa, lo que aumentaba considerablemente el campo del telescopio, aunque invertía la imagen aumentada. Debe aclararse que la mejora introducida por Kepler era relativa, ya que aunque proporcionaba un campo mayor, provocaba en la imagen resultante una mayor aberración esférica respecto al diseño de Galileo, que en cierta forma compensaba ese efecto.


El holandés Christiaan Huygens, a mediados del siglo XVII, trató de combatir la aberración esférica alargando la distancia focal de sus objetivos, con lo que lograba además un aumento de la imagen proporcionalmente mayor; gracias a ello pudo constatar que Saturno, el «planeta triple», descrito anteriormente por Galileo, no era tal, sino que en realidad estaba circundado por un brillante anillo. En 1655, Huygens también descubrió a Titán, el primer satélite conocido de Saturno.


Años después el inglés Isaac Newton, que creía que la aberración esférica no podría corregirse nunca, ideó otro tipo de telescopio, el reflector, a base de espejos. El razonamiento de Newton era simple y brillante: si la luz no atravesaba ninguna lente, la aberración esférica dejaría de ser un problema. Su telescopio le valió el ingreso a la Academia de Ciencias de Inglaterra.


Simultáneamente con Newton, el francés Guillaume Cassegrain inventaba el telescopio reflector que lleva su nombre, y el escocés James Gregory ideaba otro sistema similar; por desgracia, este tipo de telescopios, conocidos actualmente como catadióptricos, requerían de espejos con superficies curvas que ningún óptico podía fabricar en esa época, y en ambos casos, recién pudieron ser construidos hacia fines del siglo XIX. La variante más popular en la actualidad es la Schmidt-Cassegrain, denominada así ya que en 1930 el astrónomo estonio Bernard Schmidt agregó al diseño del francés una lente con la que logró corregir la aberración propia de ese tipo de telescopios.


En la época de Cassegrain surgió en Inglaterra John Dollond, defensor de Newton en la controversia con Huygens sobre la aberración esférica. Para demostrar que Newton tenía razón, Dollond construyó telescopios con toda clase de lentes. Para su gran sorpresa, descubrió que combinando ciertos tipos de vidrio y de curvaturas, la aberración esférica sí podía corregirse. Así surgieron en el siglo XVIII los objetivos acromáticos y con ellos, el telescopio de Newton dejó de usarse, ya que los telescopios volvieron a ser en su mayoría refractores.


La siguiente gran mejora la logró el francés León Foucault, quien fabricó sus espejos con vidrio en lugar de metal de campana como Newton, e inventó un procedimiento químico para platearlos. De ese modo, los telescopios reflectores se volvieron prácticos y se inició una competencia contra los refractores, construyéndose instrumentos cada vez más grandes de los dos tipos. El refractor más grande terminó siendo el de Yerkes, construído a fines del siglo XIX en Estados Unidos, con poco más de un metro de diámetro.


Ya en el siglo XX, y ante la imposibilidad física de construir telescopios refractores más grandes por el elevado peso de sus lentes, los reflectores terminaron ganando la batalla. Entre los más importantes podemos citar el observatorio de Monte Wilson de 2,5 metros de diámetro, con el que Edwin Hubble descubrió la expansión del universo, y más tarde el de Monte Palomar, de 5 metros de diámetro, que fue el mayor del mundo hasta 1970.


En los últimos veinte años se han construido telescopios de hasta 8,4 metros de diámetro con espejos monolíticos, y de hasta 10 metros de diámetro con espejos segmentados, como los dos telescopios Keck instalados en Mauna Kea, Hawaii. En estos telescopios, los espejos primarios están soportados por actuadores controlados por computadoras, con lo cual puede ajustarse la curvatura de los mismos para un máximo poder de resolución (sistemas activos) y también para contrarrestar las aberraciones producidas por la turbulencia de las capas atmosféricas (sistemas adaptativos). Gracias a ello y mediante el uso de detectores electrónicos CCD (Charge Coupled Devices, dispositivos de carga acoplada) se logran, con la ayuda de computadoras para procesar las imágenes, resultados inimaginables hasta hace apenas unas décadas.


A pesar del uso de sistemas de óptica activa y adaptativa, y de la división en segmentos de los espejos primarios, la única forma de seguir aumentando el poder de resolución de los telescopios sin aumentar todavía más su diámetro es utilizar técnicas de interferometría óptica. Esto consiste en captar la luz de dos telescopios alejados entre sí, y combinarla en una pantalla común para que produzcan un patrón de interferencia. Mediante la modificación de la distancia recorrida por los haces de luz y midiendo la visibilidad del patrón de interferencia resulta posible medir, entre otras cosas, el diámetro angular de estrellas lejanas.


Por ejemplo, los cuatro reflectores de 8,2 metros de diámetro que componen el observatorio europeo VLT, instalado en Cerro Paranal, Chile, pueden combinarse con otros cuatro telescopios auxiliares de 1,8 metros de diáetro para formar un telescopio/interferómetro con un diámetro virtual de 100 metros. La combinación de los haces de luz procedentes de los distintos telescopios genera un patrón de interferencia que poco tiene que ver con una imagen de alta de resolución, pero a partir de diversas mediciones realizadas sobre ese patrón de interferencia es posible reconstruir una imagen de alta resolución del objeto observado usando algoritmos especializados para procesar los datos. Los astrónomos consiguen alcanzar así una resolución angular extremadamente elevada, en el orden de las milésimas de segundo de arco.


Desde hace ya varias décadas, los astrónomos cuentan también con telescopios capaces de realizar observaciones en otras regiones del espectro electromagnético además de la luz visible.


En agosto de 1931, el ingeniero estadounidense Karl Jansky detectó por primera vez las ondas de radio que emanan del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El rápido desarrollo tecnológico del radar durante la Segunda Guerra Mundial se tradujo en un gran avance de la radioastronomía durante los años de posguerra.


La atmósfera terrestre no interfiere con la propagación de las ondas de radio generadas por fuentes astronómicas, pero los radiotelescopios son instalados en regiones alejadas de los centros urbanos a fin de reducir al mínimo la interferencia electromagnética generada por las actividades humanas.


A diferencia de las ondas de radio, la observación de fuentes astronómicas de rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta y gran parte del espectro infrarrojo es imposible desde la superficie terrestre, ya que la atmósfera de nuestro planeta actúa como un filtro que evita que la radiación se propague en esas longitudes de onda. Esto llevó al astrofísico estadounidense Lyman Spitzer a proponer en 1946 la idea de instalar un telescopio en el espacio exterior, una década antes del lanzamiento del primer satélite artificial por la Unión Soviética.


El telescopio espacial más famoso es sin duda el Hubble, que fue puesto en órbita terrestre en 1990, y posee un espejo primario de 2,4 metros de diámetro. Si bien no fue el primer telescopio espacial, es uno de los más grandes y versátiles lanzados hasta el momento, y el único diseñado para poder ser reparado en el espacio.


Varias misiones de servicio fueron enviadas al Hubble por la NASA. En cada una de ellas, luego de interceptar al telescopio y capturarlo mediante el brazo robótico del transbordador espacial, los astronautas pasaron varios días efectuando reparaciones, reemplazando componentes o instalando nuevos instrumentos antes de volver a desplegar al Hubble en su órbita.


La NASA planea lanzar el 31 de octubre de 2021 el Telescopio Espacial James Webb (JWST), que promete superar ampliamente las capacidades del Hubble, ya que su espejo primario tendrá un diámetro de 6,5 metros, y sus instrumentos estarán optimizados para realizar observaciones en longitudes de onda infrarrojas con una resolución y sensibilidad sin precedentes. Una vez ubicado en su órbita de halo alrededor del punto L2, donde se equilibran la gravedad del Sol y de la Tierra, a 1,5 millones de nuestro planeta, se espera que el Webb sea capaz de observar la luz de las primeras estrellas nacidas en nuestro universo, la evolución de las primeras galaxias y los procesos de formación estelar y planetaria.


Es evidente que gracias a la evolución tecnológica de los telescopios modernos, la astronomía ha progresado a mayor velocidad en los últimos 40 años que en los más 400 años transcurridos desde la aplicación por Galileo Galilei del telescopio a la observación del cielo nocturno. Sin embargo, la curiosidad inherente a la naturaleza humana hará que el desarrollo de telescopios cada vez más potentes y capaces no se detenga, y en un futuro probablemente no muy lejano resultará posible observar a los planetas orbitando en torno a estrellas lejanas con la misma resolución con la que Galileo observó a Júpiter a través de su telescopio en 1610.


Tipos


Existen distintas estructuras de telescopios, según sea el principio óptico por el que funcionan. Veamos las principales y el recorrido que sigue la luz por ellas:


Refractores


Se basan en el principio óptico de la refracción. La configuración de Kepler es la que se usa en este tipo de telescopios. El esquema puede ser el siguiente:


Telescopio refractor

Créditos de la imagen: Fisicalab


A la izquierda, el telescopio refractor. A la derecha su esquema de funcionamiento. El objetivo, una lente convergente, forma la imagen del cuerpo observado en la zona representada por el punto negro, a una distancia igual a la distancia focal de dicho objetivo. Posteriormente el ocular actúa ampliando la imagen. Tanto el objetivo como el ocular suelen ser lentes compuestas, a fin de evitar aberraciones.


El principal problema de este tipo de telescopios es la falta de luminosidad. Por un lado, al tener que atravesar varias lentes, las imágenes pierden intensidad y es difícil evitar aberraciones. Por otro, el tubo del telescopio debe ser estrecho, por que no es posible construir lentes muy grandes, con lo que, de nuevo, se disminuya la cantidad de luz que puede atrapar el telescopio y su poder de resolución.


Reflectores


Inventado por Newton, se basan en el principio óptico de la réflexión. Los rayos provenientes del objeto observado son dirigidos al ocular, esta vez mediante dos espejos. El esquema puede ser el siguiente:


Telescopio reflector

Créditos de la imagen: Fisicalab


A la izquierda, el telescopio reflector. A la derecha el esquema de su funcionamiento. El objetivo esta vez es un espejo divergente (espejo primario) que enfoca los rayos en un punto. Dicho punto se encuentra en la zona de incidencia de los rayos, por lo que se hace necesaria la utilización de un pequeño espejo secundario para que el hipotético observador no se interponga entre el ocular y los rayos.


Como es posible construir espejos curvos mayores que las lentes, los telescopios reflectores suelen tener mayor diámetro que los refractores, lo que es una gran ventaja porque pueden recoger más luz.


Catadióptricos


Combinan la reflexión y la refracción mediante lentes y espejos para dirigir los rayos al ocular. El esquema puede ser el siguiente:


Telescopio catadióptrico

Créditos de la imagen: Fisicalab


A la izquierda, el telescopio catadióptrico de tipo Schmidt-Cassegrain. A la derecha su esquema de funcionamiento. Los rayos provenientes del objeto observado atraviesan primeramente una lente correctora. Posteriormente se produce una doble reflexión en un espejo divergente (primario) y otro convergente (secundario) antes de ir a parar al ocular.


Los catadióptriocos pueden abarcar grandes distancias focales en casi la mitad de tamaño que los newtonianos.


Telescopios Famosos


1. El Telescopio espacial Hubble: Se encuentra en órbita fuera de la atmósfera terrestre, para evitar que las imágenes sean distorsionadas por la refracción. De este modo el telescopio trabaja siempre al límite de difracción y puede ser usado para observaciones en infrarrojo y ultravioleta.


2. El Very Large Telescope (VLT): Es en la actualidad el más grande en existencia, compuesto por cuatro telescopios cada uno de 8,2 m de diámetro y 4 telescopios auxialiares de 1,2 metros cada uno. Pertenece al Observatorio Europeo del Sur y fue construido en el Desierto de Atacama, al norte de Chile. Los telescopios pueden funcionar separados o como uno solo, combinando la luz proveniente de todos los espejos.


3. El Gran Telescopio Canarias: Posee el espejo individual más grande, con un diámetro de 10,4 metros. Se compone, a su vez, de 36 segmentos más pequeños.


4. El telescopio Hale: Construido sobre el Monte Palomar, Estados Unidos, con un espejo de 5 metros de diámetro, fue el más grande por mucho tiempo. Tiene un único espejo de silicato de boro (Pyrex (tm)), que fue notoriamente difícil de construir.


5. El telescopio del Monte Wilson: Con 2,5 metros y ubicado en Estados Unidos, fue usado por Edwin Hubble para probar la existencia de las galaxias y para analizar el desplazamiento al rojo que experimentan.


El Observatorio Yerkes: Contiene el telescopio refractor orientable más grande del mundo, con 102 cm, casi 1 metro, en el estado de Wisconsin, Estados Unidos.


El telescopio espacial SOHO: Es un coronógrafo situado en una órbita entre la Tierra y el Sol observando ininterrumpidamente al Sol.


Glosario


1. La distancia a la que convergen todos los puntos de una imagen pasando a través de una lente.
2. La distancia focal de la lente objetiva.
3. La distancia focal de la lente ocular.
4. La distancia focal de la lente objetiva.