El telescopio más potente cabrá en tu bolsillo

Encoger el telescopio «Los astrónomos en los últimos 50 años han hecho maravillosos descubrimientos, ampliado nuestra comprensión del universo y abierto la visión de la humanidad más allá de la porción visible del espectro electromagnético. Nuestro conocimiento de cómo nació el cosmos y cuántos de sus fenómenos surgen ha crecido exponencialmente en solo una vida humana. A pesar de estos grandes avances, quedan preguntas fundamentales que en gran parte no tienen respuesta. Para mejorar nuestra comprensión de la forma en que se formó nuestro universo actual después del Big Bang, se requiere un nuevo tipo de observatorio que tenga capacidades que actualmente no están disponibles en ninguno de los sistemas terrestres existentes. telescopios terrestres o espaciales».

El concepto de cuanto más grande es mejor está tan arraigado en nuestra conciencia, que la sola idea de un telescopio más pequeño y más eficiente parece desafiar todas las leyes de la ciencia. Sin embargo, la ciencia siempre apoya los telescopios de tamaño miniatura. Sin embargo, es la cerradura de la comprensión del principio fundamental del enfoque lo que nos ha privado a lo largo de los siglos. La investigación en este campo ha proporcionado una comprensión completa de la ciencia detrás del funcionamiento del telescopio óptico que ha contribuido al diseño de la próxima generación de telescopios. El tamaño de introducción del telescopio en miniatura será el tamaño de un visor que ahora se usa en los telescopios actuales. Sin embargo, esta nueva generación de telescopios tendrá una resolución mayor que incluso el telescopio más grande conocido.

La técnica en la fabricación de lentes y espejos ha mejorado significativamente a lo largo de los siglos. Con la ayuda de computadoras, láseres y tecnologías robóticas, la óptica se puede hacer con precisión. Eventualmente, el tamaño de los telescopios se reducirá a un instrumento portátil tan pequeño como un par de anteojos, en un futuro no muy lejano. Los telescopios pronto estarán compuestos por tubos muy pequeños (de unos pocos centímetros de longitud) instalados en un casco. Tendrán la ventaja del movimiento preciso y la absorción de impactos que proporciona la cabeza humana. Amplio campo de visión similar al del ojo desnudo, enfoque impresionante, aumento infinito (limitado solo por la contaminación lumínica y las perturbaciones) y brillo que permite tomar fotografías instantáneas en color y grabar videos en vivo. El casco será conveniente, eficiente y versátil. El diseño se reserva el potencial de ser actualizado y personalizado. Después de casi 400 años de desarrollo de telescopios, finalmente tenemos un avance revolucionario que ahora es capaz de remodelar la ciencia de los telescopios y crear dispositivos ópticos revolucionarios para reducir los telescopios del tamaño de una pelota de fútbol a un visor y, finalmente, a un par de anteojos. Bienvenido a la nueva era de la tecnología de telescopios.

Lo imposible hecho posible – A medida que nuestros logros tecnológicos dan forma al futuro, encontramos formas de hacer posible lo imposible. Mejoramos constantemente la tecnología existente haciéndola más pequeña y más eficiente. En muchos casos, los diseños más pequeños e integrados aumentan la amplia categoría de eficiencias. Ahora somos capaces de fabricar instrumentos a escala microscópica, con la excepción del telescopio óptico. El telescopio óptico es el único instrumento que realmente crece en tamaño en lugar de encogerse. A medida que avanzamos en la investigación y el desarrollo de estos instrumentos, crecen en tamaño con cada nueva generación. El sueño de todo astrónomo es tener acceso a un telescopio de alta potencia de resolución, pero lo suficientemente pequeño como para ser portátil.

Sin embargo, está incrustado en nuestras mentes que no podemos aumentar la resolución con un tamaño reducido en un solo diseño. En relación a esto, los ingenieros continúan construyendo instrumentos cada vez más grandes, creando monstruos y gigantes. La razón por la que el telescopio de tamaño miniatura se considera imposible radica no solo en la ciencia óptica, sino también en una comprensión poco clara del principio de la luz. Todavía no entendemos la compleja interacción involucrada tanto en la visualización como en la captura de imágenes, hasta ahora. Es por esta incertidumbre, por lo que todavía usamos dos teorías diferentes de la luz. La luz se ve como una partícula que acelera del punto A al punto B, y la luz también se ve como ondas que se transmiten por medio de un movimiento ondulatorio. Cuando una teoría no tiene sentido, se aplica la otra. El telescopio de tamaño miniatura se basa en la ‘teoría unificada de la luz’.

La ciencia – Nuestros ojos son muy singulares: la pupila de una persona joven se dilata entre 2 y 7 milímetros, sin embargo, el ojo posee la capacidad de ver imágenes de varios miles de metros de diámetro. Nuestro amplio campo de visión proporciona evidencia convincente de que vemos rayos de imagen convergentes y no rayos paralelos. Los rayos de imagen convergentes obedecen la ley del inverso del cuadrado de la radiación electromagnética. Los rayos convergentes describen rayos que se convierten hacia un punto. Por lo tanto, la imagen transportada por estos rayos reduce su área de sección transversal con la distancia recorrida. Las imágenes recogidas por la apertura más grande del telescopio, en realidad entran en los pocos milímetros de nuestros ojos. Ángulo de visión pequeño (campo verdadero) en segundos de un grado, tan pequeño que al cerebro le resulta difícil aislar los detalles que contienen para su reconocimiento, cuando se tienen en cuenta en nuestro campo de visión completo. Estos pequeños ángulos de información se comprimen dentro de nuestro gran campo de visión y parecen ser solo un pequeño punto o se vuelven invisibles.

Sin embargo, la ampliación proporciona los medios por los cuales los ángulos de visión pequeños se convierten en otros más grandes. Un telescopio refractor con una apertura de 30 milímetros y una distancia focal de 120 milímetros (relación focal f/4), que proporciona un poder de aumento de 5x y tendrá una pupila de salida de 5 milímetros. Este es un telescopio muy brillante, tocando cerca del máximo de 7 milímetros de apertura de la pupila. Si se construyera un segundo telescopio, con un tamaño de apertura idéntico de 30 milímetros, pero con una distancia focal de 1200 milímetros (f/40). El poder de aumento será 50x veces. En lugar de una pupila de salida de 5 milímetros, dicho telescopio ahora tendrá una pupila de salida de solo 0,5 milímetros. De la misma fórmula, para obtener un poder de aumento de 50x y una pupila de salida de 5 milímetros, la apertura necesaria es de 300 milímetros.

Los telescopios refractores no pueden obtener una pupila de salida de 7 milímetros sin verse afectados por aberraciones. Para superar esto, los diseñadores de telescopios intentan asignar un equilibrio entre aumento y brillo. El poder de resolución describe este equilibrio. El compromiso reducirá el brillo, pero aumentará el poder de aumento y la claridad de la imagen en la misma proporción. El ocular juega un papel importante en la finalización de la imagen del campo aparente. Son capaces de influir en el campo de visión, el aumento y la pupila de salida (brillo). Un ocular de distancia focal corta proporcionará una gran potencia de aumento, un campo de visión pequeño y una pupila de salida corta; mientras que un ocular de distancia focal larga proporcionará un pequeño poder de aumento, un gran campo de visión y una pupila de salida larga. A partir de este ejemplo, se puede ver que la ampliación es inversamente proporcional al diámetro de la pupila de salida, y que la pupila de salida es directamente proporcional al brillo.

De la fórmula cuanto más grande es mejor, sabemos que al aumentar la apertura del objetivo, podemos aumentar la pupila de salida y, por lo tanto, el brillo de la imagen. Hay varias aberraciones de diseño óptico que establecen restricciones en el diseño de telescopios modernos. Al diseñar sistemas ópticos, el ingeniero óptico debe hacer concesiones en el control de las aberraciones para lograr el resultado deseado. Las aberraciones son cualquier error que resulte en la imperfección de una imagen. Dichos errores pueden deberse al diseño, la fabricación o ambos.

Las lentes acromáticas se desarrollan para reducir la aberración cromática que se crea cada vez que se refracta la luz blanca, pero incluso con los mejores diseños, la aberración cromática no se puede eliminar por completo. La aberración cromática también consiste en un efecto secundario llamado espectro secundario. Cuanto más larga es la relación focal, más débil se vuelve el espectro secundario. La aberración cromática limita la mayoría de los refractores a una relación focal de f/15. Los reflectores, que se ven menos afectados por la aberración cromática, tienen una relación focal de f/5 para diseños comerciales y f/2,5 para diseños profesionales. Dentro del diseño de telescopio conocido, se integran las diferentes condiciones necesarias para la perfección de la imagen, lo que obliga a los ingenieros a comprometerse para obtener un equilibrio cercano que proporcione la mejor imagen posible.

¿Qué pasaría si la ampliación, el enfoque y el brillo pudieran separarse? La nueva fórmula para los «telescopios de tamaño miniatura EUR» aísla cada uno de estos factores y permite que cada uno se sintonice de forma independiente para obtener la máxima eficiencia.

El deseo de aumentar el poderr- «El Telescopio Abrumadoramente Grande (Owl) es un proyecto impresionante, que requiere un esfuerzo internacional. Este enorme espejo principal del telescopio tendría más de 100 metros de diámetro y tendría una resolución 40 veces mejor que el Telescopio Espacial Hubble. Este es un telescopio con un espejo primario del tamaño de un campo de fútbol».

La necesidad de un mayor poder de aumento comenzó con el diseño de Galileo. La investigación y los experimentos para mejorar el aumento del telescopio muestran que el aumento en el poder de aumento es directamente proporcional a la diferencia en la distancia focal del objetivo y el ocular (ocular), donde la distancia focal ocular es la más corta de las dos. La carrera para construir el telescopio más poderoso comenzó a una edad temprana en desarrollo del telescopio Las mentes más brillantes de la época compiten para dominar la configuración de esta nueva tecnología.

Durante esta era, los tubos de los telescopios se hicieron muy largos. A veces, estos tubos alcanzan una longitud que los vuelve inestables. En algunos casos, los tubos se eliminaron del diseño del instrumento. Los telescopios sin cámara se llamaban telescopios aéreos. Mientras los ingenieros de telescopios compiten para desarrollar telescopios más potentes, sin saberlo, se encuentran con un problema secundario que limita la longitud y el aumento de estos primeros diseños de telescopios ‘refractores’. Se dan cuenta de que las imágenes se oscurecen con el aumento de aumento. De alguna manera, la ampliación estaba reduciendo la cantidad de luz que entraba o salía de las lentes del telescopio. La explicación de este fenómeno era que no salía suficiente luz del ocular del telescopio, ya que no se recogía suficiente luz en el objetivo. Un aumento en el tamaño de la apertura aumenta la pupila de salida y se resolvió el problema de la imagen oscura con aumento.

En esta etapa del desarrollo del telescopio, solo se inventaron los telescopios ‘refractores’ keplerianos y galileanos. La fabricación de lentes estaba en sus primeras etapas y era difícil fabricar lentes de calidad. Las lentes de gran apertura fueron un desafío aún mayor. El telescopio refractor pronto alcanzó su límite de tamaño, pero ahora que se conoce la segunda sección de la fórmula para el alto poder de resolución, nació el telescopio reflector de varias variaciones.

A la fecha, casi 400 años después, se sigue utilizando la misma fórmula. Las mejoras del módem simplemente aumentan la calidad de la óptica que se usa ahora, donde la modificación minimiza las aberraciones. Ahora podemos construir telescopios más grandes con un poder de resolución y un brillo que nunca antes se había enseñado en la época de Galileo, pero la fórmula utilizada en el desarrollo de estos instrumentos modernos es la misma que en los primeros diseños: cuanto más grande, mejor. La fórmula de cuanto más grande es mejor no está exenta de limitaciones. Por ejemplo, la aberración del color limita el brillo de un telescopio refractor, que requiere una relación focal de f/I 5 para filtrar la aberración del espectro secundario. La relación focal requerida limita las capacidades de captación de luz de los refractores. Los reflectores no se ven afectados por el efecto de espectro secundario. La relación focal en el rango de ff2.5 es razonable cuando se requiere una pupila de salida cercana a los 7 milímetros. Sin embargo, cualquier intento de aumentar la ampliación dentro de estos telescopios reflectores mientras se mantiene el brillo, requerirá un aumento en la apertura y la distancia focal en la misma proporción. Son estas características de diseño las que hacen que la frase «EUR~más grande es mejor» sea tan convincente.

Limitaciones anteriores – La comprensión del principio de la luz nos ha recompensado con el desarrollo de la tecnología óptica moderna. El presente artículo está escrito para presentar un gran avance en la investigación y el desarrollo de telescopios pequeños y potentes. La mayoría de los principales fabricantes de telescopios le informarán que la ampliación no tiene una importancia significativa; y ese brillo es una preocupación más pronunciada que un comprador debería tener al comprar un telescopio. La ampliación y el brillo son igualmente importantes para ver y capturar imágenes distantes, pero el factor más importante para representar los detalles de una imagen es el enfoque. De todos los principios fundamentales involucrados en la captura de una imagen, el enfoque es menos entendido. La conciencia de un punto focal de imagen y cómo lograr una imagen de enfoque se puede calcular fácilmente, pero aún no se han respondido cuáles son las interacciones electrodinámicas que componen una imagen de enfoque.

Todos los instrumentos ópticos están diseñados en torno al enfoque; por lo tanto, siempre será una prioridad máxima en la formación de una imagen clara. La ampliación y el brillo son de importancia secundaria, son el resultado después de lograr el enfoque. Es la distancia crítica de enfoque la que determina la ampliación y el brillo máximos con los que se verá claramente una imagen. La ampliación describe la acción de convertir ángulos de visión más pequeños (campo real) en otros más grandes (campo aparente), esto proporciona un cambio en el ángulo en el que se reciben los rayos de la imagen, engañando así al cerebro haciéndole creer que el objeto está más cerca o más grande. entonces realmente lo es. Si no fuera por la necesidad de enfocar, una sola lente convexa, una lupa, sería un telescopio capaz de aumentar el zoom infinitamente, mediante la simple acción de variar la distancia que se mantiene desde el ojo. Desafortunadamente, sin embargo, no hay es una distancia crítica a la que las imágenes se enfocan a través de una sola lente o incluso de un sistema de lentes. También se conoce como distancia crítica de enfoque.

¿Qué es el enfoque? Diccionario Webster: enfocar; es la distinción o claridad con la que un sistema óptico representa una imagen.

Cuatrocientos años de historia – El descubrimiento de la magnificación distante fue por accidente. El primer fabricante de lentes, Jan Lippershey, estaba experimentando con dos lentes diferentes cuando descubrió el efecto del aumento distante. Descubrió que al sostener una lente negativa cerca del ojo mientras se sostenía una lente positiva alineada con la primera, lejos del ojo, los objetos distantes aparecían mucho más cerca de lo que estarían a simple vista. Desde entonces, todavía se está intentando investigar para comprender y explicar la ciencia detrás de estos dispositivos mágicos. Incluso con la tecnología actual, los diseñadores de telescopios todavía se enfrentan a importantes limitaciones de diseño y desafíos que crean un compromiso entre el tamaño del telescopio, el brillo y la claridad de la imagen. Los científicos siempre han estado desconcertados por la naturaleza de la luz. Sir Isaac Newton considera la luz como una corriente de diminutas partículas que viajan en línea recta. El científico holandés Christian Huygens, por otro lado, creía que la luz consistía en ondas en una sustancia llamada éter, que suponía llenaba el espacio, incluido el vacío. El concepto de Huygens se aceptó como la mejor teoría de las dos. Hoy en día, sin embargo, los científicos creen que la luz consiste en una corriente de pequeñas ondas de energía llamadas fotones.

La fórmula más grande es mejor«Con un telescopio que tiene 10 veces el área de recolección de todos los telescopios jamás construidos. Podrías descender varias miles de veces más débil que la cosa más débil que ves con los telescopios de hoy».

La fórmula que dio forma a los telescopios conocidos a lo largo de los siglos de desarrollo es bastante básica, bien conocida y probada: cuanto más grande, mejor. Esto es lo mismo que decir que una mayor apertura proporciona una imagen más brillante, mientras que una mayor distancia focal proporciona una mayor ampliación. Aun así, ¿está escrita en piedra esta fórmula? Pongamos la fórmula a prueba. ¿Se pueden obtener grandes aumentos sin un objetivo de distancia focal larga? La respuesta es sí. Los microscopios proporcionan un aumento muy grande con un objetivo de distancia focal relativamente corta. ¿Es posible recolectar luz sin un tamaño de apertura muy grande? De nuevo, la respuesta es sí. El microscopio también demuestra esto. Entonces, ¿por qué los microscopios proporcionan un gran aumento con un brillo adecuado en un tamaño relativamente pequeño, mientras que los telescopios no pueden? Esto demuestra que no es la ley de aumento ni de brillo, sino las limitaciones de diseño del instrumento las que insisten en el concepto de que cuanto más grande, mejor. Un telescopio de diseño Kepleriano básico funciona como un microscopio cuando se ve a través del otro extremo del tubo. Por el hecho de que los telescopios son básicamente un microscopio invertido, uno puede ver la estrecha relación entre los dos.

Un microscopio para estudiantes de tamaño completo estándar internacional proporciona una potencia de aumento de hasta 400x, pero dicho microscopio consta de un tubo de menos de 20 centímetros de longitud. Se refleja suficiente luz en su espejo liso o convexo de menos de 7 centímetros de diámetro. Para obtener idéntico brillo y poder de aumento en un telescopio, se recomienda una relación focal de f/2.5 para una pupila de salida cercana a los 7 milímetros. Dicho telescopio requerirá una apertura de 320 centímetros (3,2 metros) y una distancia focal de 800 centímetros (8 metros), calculándose aproximadamente con un ocular de 20 milímetros. Este es un aumento de casi 50x en tamaño. Esto demuestra que el brillo no se limita a una gran apertura, ni la ampliación se limita a una distancia focal larga. Sin embargo, la fórmula ‘más grande es mejor’ es una limitación de diseño que aparece solo en aumentos lejanos. El enfoque de imágenes distantes es más desafiante que el enfoque de imágenes cercanas. Podemos probar esto con una sola lente de aumento que se sostiene cerca del ojo. Los objetos a más de 2/3 de la distancia focal de la lente estarán desenfocados.

Todos los sistemas ópticos están diseñados en torno al enfoque. Para variar el aumento y el brillo, el enfoque debe ser constante. Podemos comprometer la ampliación por brillo y viceversa, pero nunca podemos comprometer el enfoque. Por lo tanto, en lugar de decir que el aumento M es inversamente proporcional al brillo, también es exacto decir que el aumento M es igual al foco dividido por el brillo B, donde el foco es una constante D.

METRO = D/B

Potencia de aumento (M) = constante de enfoque (D) / Brillo (B) Dentro del diseño de telescopio óptico conocido, los tres factores están integrados. El enfoque ha sido el factor principal para generar una imagen clara, mientras que la ampliación y el brillo sirven como factores secundarios en la apariencia de una imagen enfocada. Para los sistemas ópticos conocidos, el enfoque, el brillo y la ampliación son inseparables. El poder de resolución se utiliza para resumir el rendimiento de un telescopio. Se establece por la capacidad del telescopio para imprimir detalles dentro de una imagen. Una imagen es la impresión de puntos individuales que se unen para formar una imagen completa. Ampliar una imagen implica estirar estos puntos. La ampliación de la luz es muy diferente de la ampliación de la imagen y aumenta cambiando el ángulo de la luz de la imagen recibida.

Pero existe la pregunta fundamental: ¿qué pasaría si estos tres factores importantes pudieran aislarse y ajustarse individualmente? Mmm. La ingeniería de telescopios no volverá a ser la misma y la ciencia de la astronomía explotará.

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