Técnicas de observación en astronomía óptica

TÉCNICAS DE OBSERVACIÓN EN ASTRONOMÍA ÓPTICA

Álvaro López García

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

Colección: Educació. Laboratori de Materials, 67

Este texto ha sido publicado en el marco de los programas desarrollados dentro de la «Convocatoria del Ministerio de Educación y Ciencia para la financiación de la adaptación de las instituciones universitarias al Espacio Europeo de Educación Superior» (septiembre de 2006)

© Del texto: Álvaro López García, 2016

© De esta edición: Universitat de València, 2016

Maquetación: el autor

Diseño de la cubierta: Celso Hernández de la Figuera

ISBN: 978-84-9134-030-0

Índice General

TÉCNICAS DE OBSERVACIÓN EN ASTRONOMÍA ÓPTICA

0.1 Introducción

1 La Astronomía como Ciencia observacional

1.1 La Astronomía

1.2 Astronomía y Física

1.3 Desarrollo histórico

1.3.1 Observación visual (ojo)

1.3.2 El telescopio

1.3.3 Círculos graduados y micrómetros

1.3.4 Los siglos XIX y XX

1.4 Astronomía Óptica

2 Naturaleza y propiedades de la Luz

2.1 Conceptos físicos

2.1.1 Ley de Coulomb

2.1.2 Campos magnéticos cósmicos

2.1.3 Leyes de Ohm, Faraday y Ampère

2.1.4 Ecuaciones de Maxwell

2.2 Propiedades de la luz

2.2.1 Reflexión

2.2.2 Refracción

2.2.3 Difusión

2.2.4 Transmisión y absorción

2.2.5 Dispersión

2.2.6 Interferencias

2.2.7 Difracción

2.2.8 Polarización

2.3 Fórmulas de la radiación

2.3.1 Ley de radiación de Planck (1900)

2.3.2 Ley de Stefan-Boltzmann

2.3.3 Ley de desplazamiento de Wien

2.3.4 Presión de radiación

2.4 Magnitudes y brillos

2.4.1 Tipos de magnitudes

2.4.2 Indices de color

2.4.3 Magnitud bolométrica

2.4.4 Luminosidades

3 Colectores luminosos

3.1 Introducción

3.2 Sistemas ópticos

3.2.1 Lentes convergentes

3.2.2 Lentes divergentes

3.2.3 Espejos

3.3 Telescopios

3.3.1 Energía recibida

3.3.2 Resolución angular y poder resolutivo

3.3.3 Focos de los telescopios

3.3.4 Sistemas catadriópticos

3.4 Monturas de los telescopios

3.5 Comparativa de telescopios

3.6 Efectos atmosféricos

3.6.1 La atmósfera terrestre

3.6.2 Refracción astronómica

3.6.3 Influencia de la refracción en las coordenadas

3.6.4 Otros efectos atmosféricos

4 Analizadores de la luz

4.1 Filtros

4.1.1 Definiciones y unidades

4.1.2 Especificaciones de los filtros

4.1.3 Clasificación de los filtros

4.1.4 Filtros interferenciales

4.2 Prisma óptico

4.2.1 Geometría del prisma

4.2.2 Dispersión de un prisma

4.2.3 Poder resolutivo de un espectroscopio de prisma

4.2.4 Prismas acromáticos y de visión directa

4.3 Redes de difracción

4.3.1 I. Introducción

4.3.2 II. Teoría

4.4 Espectrógrafos

4.4.1 Espectrógrafos de prisma

4.4.2 Espectrógrafos de red plana

4.4.3 Espectrógrafos de red cóncava

5 Detectores

5.1 El ojo como detector

5.1.1 El telescopio: mejora de resolución y sensibilidad

5.1.2 El ojo y el color

5.1.3 El ojo y el brillo de los astros: el sistema de magnitudes

5.1.4 El descubrimiento de la luz invisible: el infrarrojo y el ultravioleta

5.2 La placa fotográfica

5.2.1 Bidimensionalidad: astrometría

5.2.2 Fotometría fotográfica

5.2.3 La emulsión fotográfica

5.2.4 Procesado fotográfico

5.2.5 La medida de imágenes estelares

5.3 El fotómetro fotoeléctrico

5.3.1 Los inicios de los detectores eléctricos

5.3.2 Características de los detectores fotoeléctricos

5.3.3 La variedad de detectores eléctricos

5.3.4 Fotocátodos

5.3.5 Estructura de un fotomultiplicador

5.3.6 Unidimensionalidad de los fotómetros fotoeléctricos

5.4 Los sensores CCD

5.4.1 Estructura y funcionamiento del sensor CCD

5.4.2 Características de un detector CCD

5.5 Detectores de alta frecuencia

6 Fotometría

6.1 Extinción atmosférica

6.2 Sistemas fotométricos

6.2.1 Introducción

6.2.2 Sistemas de banda ancha

6.2.3 Sistemas de banda intermedia y estrecha

6.2.4 Relaciones de transformación

7 Espectroscopía

7.1 Introducción

7.2 Modelo atómico: el átomo de Bhor

7.3 Tipos espectrales y clases de luminosidad

7.4 Diagrama Hertzsprung-Russell

7.5 Diagrama HR de los cúmulos estelares. Evolución estelar

7.5.1 Cúmulos galácticos o abiertos

7.5.2 Cúmulos globulares

7.6 Poblaciones estelares. Formación estelar

7.6.1 Formación estelar

7.6.2 Evolución estelar

8 Astrometría

8.1 Técnicas de observación

8.1.1 Observaciones absolutas y relativas. Instrumentación

8.1.2 Preparación de observaciones

8.1.3 Tipos de observaciones

8.1.4 Realización de las observaciones

8.2 Medida de placas e imágenes CCD

8.2.1 Medida de placas

8.2.2 Medida de imágenes CCD

8.2.3 Reducción de posiciones

8.2.4 Análisis de resultados

8.2.5 Automatización del proceso

9 Bibliografía consultada

9.1 Series de libros de contenido general sobre temas abordados en este libro

9.2 Textos consultados en la redacción de los capítulos del libro

9.3 Información complementaria, agrupada según su contenido

9.4 Material complementario en formato digital

A mis nietos Alvaro, Manuel y Sani. Que puedan hacerse personas en un mundo mejor. Que sepan distinguir entre 'ser' y 'tener'.

Agradecimientos

Antes de entrar en materia, no puedo dejar de mencionar a varios amigos y colaboradores que, a lo largo de los pasados años, han participado de alguna manera en la realización de este trabajo:

Leonid Yagudin, investigador del observatorio de Pulkovo, que como profesor invitado realizó varias estancias en el OAUV. A él se deben parte de las figuras incluídas en el libro.

José Antonio Moraño, alumno y luego colaborador asiduo del OAUV durante varios años, que participó activamente en diversas tareas.

Enric Marco, Técnico Superior de Laboratorio y encargado del Aula de Astronomía del DAA y Fernando Ballesteros, Jefe de Instrumentación del OAUV, han revisado parte del documento original y aportado sus comentarios y sugerencias.

No debo olvidar la repetida y eficiente colaboración de Sofía Fuentes, Oficial de Laboratorio de Informática del OAUV, en la instalación y puesta a punto de sistemas operativos y software auxiliar en mi ordenador personal. También ha participado en la mejora de muchas figuras y del formato final del libro. Sin su ayuda mi trabajo hubiera sido mas difícil y peor el resultado.

A todos ellos mi sincero agradecimiento.

Valencia, junio de 2016

TÉCNICAS DE OBSERVACIÓN EN ASTRONOMÍA ÓPTICA

0.1 Introducción

El presente manual sobre técnicas de observación astronómica se basa en la experiencia adquirida por el autor en su actividad docente e investigadora, desarrollada fundamentalmente en el Observatorio Astronómico (OAUV) y el Departamento de Astronomía y Astrofísica (DAA) de la Universitat de Valencia.

Mención especial merece el Observatorio de la Universitat por su trayectoria histórica, su contribución a la implantación de la Astronomía en Valencia y su actual y pujante desarrollo. Emplazado hacia 1910 en una de las torres de la Universidad en la calle de la Nave, en los años 20 y el comienzo de la década de los 30 del pasado siglo su actividad fundamental fue la observación sistemática de la actividad solar. Tras el incendio sufrido en 1932, su principal instrumento, el refractor Grubb de 6 pulgadas de apertura y relación focal 15, fue restaurado y modernizado. Finalmente, en la década de los 40, quedó emplazado en la torre central del edificio de la entonces Facultad de Ciencias, actual Rectorado, en la Avenida de Blasco Ibáñez.

Desde finales de los años 60, este instrumento, de excelente calidad óptica y sólida montura ecuatorial, fue la base de la actividad astronómica en las licenciaturas de Físicas y Matemáticas, desgajadas de la tradicional y genérica licenciatura en Ciencias. A la observación del Sol, la Luna y los planetas siguió la obtención de fotografías de estos objetos y de campos estelares, relacionadas con las prácticas de diversas asignaturas.

Hacia 1985, con el fin de participar en campañas internacionales de observación de asteroides brillantes, el refractor Grubb experimentó diversas mejoras en el sistema de seguimiento y accesorios fotográficos. Entre 1985 y 1998 se obtuvieron casi 1000 placas fotográficas de asteroides con una o varias exposiciones sucesivas, que han servido tanto a la actividad investigadora como a la docencia impartida en el Observatorio. La selección de objetos a observar cada noche y el cálculo de sus efemérides obligó a desarrollar un software específico y a informatizar el manejo de los catálogos estelares. También se han obtenido placas de asteroides y satélites de planetas con el refractor doble de 30-20 cm, instalado en el Centro Astronómico del Alto Turia (CAAT) en 1998 y posteriormente desmontado y trasladado al Campus de Paterna.

La necesidad de analizar estas observaciones llevó al diseño y construcción de varios equipos medidores de placas, dotados de motores paso a paso y sensores electrónicos (fotómetro fotoeléctrico primero y cámara CCD después) para la búsqueda, identificación y medida de las imágenes de las placas. Al mismo tiempo, se pusieron a punto los algoritmos necesarios para automatizar en lo posible las sucesivas etapas del proceso, que tras una serie de mejoras y actualizaciones, pudo considerarse completado. En el análisis de placas se han utilizado también ‘scanners’ de tipo comercial, con resultados mediocres.

Esta labor se ha desarrollado al tiempo que se disponía de mas y mejores ordenadores personales.

Estas técnicas se han utilizado en la docencia de numerosas promociones de universitarios, y tienen un carácter muy completo, ya que se realizan en varias fases sucesivas, que requieren conocimientos de Astronomía e Informática y el manejo de instrumentos, amén de las peculiaridades de la técnica fotográfica y del análisis de imágenes. La experiencia acumulada y los medios disponibles han permitido una mejora sustancial del conocimiento teórico y práctico, tanto de los profesores como de los alumnos. Mi deseo es que este libro ayude a unos y otros.

La introducción en la Astronomía de las cámaras CCD refrigeradas, que permiten captar imágenes 2D con elevada exposición, ha representado una verdadera revolución en la observación astronómica y están siendo utilizadas en el Observtorio desde el año 2001, desplazando a la técnica fotográfica. Para ello, se han adaptado y perfeccionado los algoritmos anteriores al análisis directo de imágenes CCD.

Con el traslado del Observatorio al Campus de Paterna y al edificio de Investigación del Campus de Burjassot en mayo de 1999 (figura 0.1), se plantearon nuevos programas de observación astrométrica, contando con mejores medios instrumentales y equipos auxiliares. Además, la existencia en el propio Campus de Burjassot del Aula de Astronomía, que cuenta con dos telescopios ecuatoriales (uno catadióptrico [figura 0.3] y otro apocromático) y varias cámaras CCD, facilita la diversificación de actividades prácticas en las asignaturas de Astronomía y Astrofísica.

Este proceso se ha acelerado y ampliado con el traslado del telescopio TROBAR (figura 0.5) desde el CAAT a las instalaciones del OAO en Aras (figura 0.4). A este telescopio se han añadido dos telescopios Schmidt-Cassegrain de 40 ((figura 0.6) y 50 cm y otros instrumentos al servicio de la docencia e investigación universitarias. A su vez, el telescopio Grubb se ha restaurado y transformado en una hermosa pieza de museo (figura 0.2) utilizado en la observación de fenómenos astronómicos destacados (paso de Mercurio en 2004, eclipses de Sol y Luna) y en algunas visitas puntuales.

Figura 0.1.- Edificio de Investigación

Figura 0.2.- Refractor Grubb

Figura 0.3.- Schmidt-Cassegrain de 30 cm

Figura 0.4.- Edificio de TROBAR (OAO)

Figura 0.5.- Telescopio TROBAR

Figura 0.6.- Telescopio de 40 cm (OAO)

El contenido, formato y presentación del libro debe ser asequible tanto al estudiante, por lo general con conocimientos previos muy parciales, como al aficionado, con una larga experiencia práctica y una desigual formación académica. Aunque este planteamiento puede conducir a resultados dispares, mantenemos nuestro criterio de llegar a un amplio abanico de lectores, con cuyo apoyo y comentarios contamos para futuras mejoras y actualizaciones del texto.

El libro presenta diversas técnicas de observación, fundamentalmente en el espectro visible, y va dirigido a la mayoría de observadores, que carecen de acceso a instalaciones y técnicas muy sofisticadas. Cada capítulo contiene una breve exposición de los fundamentos teóricos del tema, y en lo posible, se incluyen aquellos aspectos peculiares más afines al autor o que pueden apoyar las actividades prácticas.

Información en la web

Información complementaria, que consideramos de interés para el lector, puede localizarse fácilmente en la web. Algunas palabras clave, relacionadas con el contenido de este libro, pueden ser las siguientes:

- Gnomon y cuadrantes solares.

- Observación astronómica: El cielo a simple vista.

- El sistema solar: Planetas, satélites, cometas. Asteroides.

- Las estrellas: binarias, variables, cúmulos.

- Cielo profundo: Nebulosas, galaxias.

- Telescopios: puesta en estación, manejo.

- Fotografía astronómica, utilización de CCD’s.

- Astrometría con CCD’s.

- Fotometría y Espectroscopía con CCD’s.

- Obtención de Mapas celestes y efemérides.

- Astrometría, Fotometría y Espectroscopía.

- Constantes y datos astronómicos.

Algunos centros de referencia a nuvel internacional, que publican información relevante para estudiosos, aficionados y profesionales son los siguientes:

- Naval Observatory, Washington (USNO, EEUU).

- Minor Planet Center (MPC, EEUU).

- Institute of Applied Astronomy (IAA, St.Petersburg, Rusia).

- Observatoire d’Strasbourg (Francia).

Dejamos en manos del lector su localización y actualización.

Capítulo 1

La Astronomía como Ciencia observacional

1.1 La Astronomía

La Astronomía es la Ciencia dedicada al conocimiento de los astros, objetos que se encuentran mas allá de nuestra atmósfera. También se ocupa del estudio de los fenómenos transitorios (eclipses, manchas y llamaradas solares, variabilidad estelar, ocultaciones y pasos de satélites y pequeños planetas) que se producen en y entre los astros.

Si consideramos las Ciencias según su carácter experimental, la Astronomía pertenece al grupo cuyos experimentos son reproducibles, siendo hasta la fecha el prototipo de ciencia de observación.

Según el esquema general de la adquisición de conocimientos científicos, podemos mostrar la siguiente representación:

Los modelos científicos, expresión concreta de las teorías, mas generales, predicen resultados a determinados experimentos, que deben contrastarse con el propio modelo. De este modo, se refinan (o rechazan) los modelos teóricos y se diseñan nuevos experimentos. La utilización de modelos numéricos es una nueva y potente herramienta.

La observación astronómica, basada en el análisis de la radiación electromagnética procedente de los astros, es un proceso complejo, sujeto a errores que, a veces, son difíciles de evaluar. El avance de los conocimientos astronómicos viene limitado por las medidas, los medios, el lugar y el tiempo disponibles e, indudablemente, del progreso de otras ciencias afines.

1.2 Astronomía y Física

Un hecho que debe señalarse, a la par que el carácter observacional de la Astronomía, es la implicación de las teorías físicas en el comportamiento a gran escala y la evolución temporal de los astros.

En una exposición esquemática, podemos enumerar los cuatro ‘campos de fuerza’ de la Naturaleza:

· Campo gravitatorio: es una fuerza atractiva de largo alcance que actúa sobre todas las partículas con masa. La partícula responsable de esta atracción es el largamente postulado y recientemente descubierto ’bosón de Higgs’. Este campo es el responsable del comportamiento a gran escala, planetaria, galáctica, etc., de la materia en el Universo. En la aproximación clásica su efecto decrece con el cuadrado de la distancia.

· Campo electromagnético: es la fuerza, para nosotros familiar, que actúa sobre las partículas cargadas eléctricamente. El fotón es la partícula de intercambio para esta fuerza. Está relacionado con la radiación de las estrellas y los campos magnéticos cósmicos. Decrece con el cuadrado de la distancia, pero la compensación global de cargas impide que se manifieste a gran escala.

· La interacción débil: es responsable de la radioactividad. Se manifiesta como una interacción repulsiva de corto alcance que actúa sobre los electrones, neutrinos y los quarks. Los bosones W y Z son los que median en esta fuerza. Está asociada a la desintegración radiactiva y establece un equilibrio entre los componentes básicos del átomo, neutrón, protón y electrón.

· La interacción fuerte: es la fuerza responsable de la unión de los Técnicas de Observación quarks para formar neutrones y protones, y de la unión de estos para formar el núcleo atómico. Las partículas de intercambio que median esta fuerza son los gluones.

De todas ellas, la fuerza gravitatoria es la principal responsable del comportamiento dinámico de los objetos astronómicos como planetas, satélites, estrellas y galaxias y, siendo la más débil, compite ventajosamente con las otras fuerzas, incluso a cortas distancias.

Como ejemplo, podemos considerar la evolución estelar, una vez terminada la combustión nuclear de las zonas centrales de la estrella e iniciado el colapso de sus capas externas hacia el centro. En los párrafos siguientes se describen las distintas situaciones que se pueden presentar.

Las enanas blancas son estrellas colapsadas cuya presión gravitatoria es soportada por la nube de los electrones atómicos, en estado degenerado, con un comportamiento análogo al de un metal. Se puede considerar que actúa la interacción débil sobre estos electrones. Estos objetos, de radio similar al de la Tierra, tienen densidades miles de veces la del agua y su masa es inferior a un determinado valor. Por encima de éste, la estrella sigue colapsando y alcanza un estado físico diferente. Su nombre procede de su pequeño tamaño y su elevada temperatura superficial.

Las estrellas de neutrones, descubiertas a partir de los púlsares, objetos radio que emiten pulsos electromagnéticos de elevada frecuencia y regularidad, son objetos colapsados, en los que la presión gravitatoria externa es soportada por la estructura de neutrones en que llegan a transformarse los átomos normales, una vez vencida la fuerza eléctrica repulsiva que impide la inclusión de los electrones en los núcleos atómicos. Aquí actúa la interacción fuerte sobre las partículas atómicas. Estos objetos, de algunos kilómetros de diámetro, tienen densidades similares a los núcleos atómicos, frecuencias de rotación de varias vueltas por segundo y una estructura interna similar a un cristal. Su masa es superior a la masa de las enanas blancas, pero existe también un nuevo límite, más allá del cual las fuerzas nucleares no son capaces de soportar la presión de las capas externas de la estrella colapsada.