Fotómetro de cuña

Empleado en la medición del casquete polar de la Córdoba Durchmusterung

Santiago Paolantonio

El estudio de los instrumentos pertenecientes a las colecciones del Museo del Observatorio Astronómico de Córdoba (MOA) continúa dando sorpresas. En este artículo nos referimos al fotómetro de “cuña”, del cual se desconocía el fabricante, fecha de entrada a la institución, al igual que las investigaciones en que se empleó. Estas cuestiones se han podido resolver gracias al acceso a la correspondencia entre Charles D. Perrine, tercer director titular del Observatorio Nacional Argentino y Edward Charles Pickering[1], director del Harvard College Observatory, documentación existente en el Harvard University Archives, Pusey Library—Harvard Yard, la cual pone al descubierto una relación y un trabajo poco conocidos.

Perrine asumió la dirección del Observatorio Nacional Argentino en junio de 1909, luego que en septiembre del año anterior falleciera repentinamente su antecesor, John M. Thome. Al llegar a Córdoba, su primera tarea fue organizar la continuidad de los trabajos que se venían desarrollando. Uno de los más importantes era el catálogo y atlas de las Zonas de Exploración, mejor conocido como Córdoba Durchmusterung. Esta obra consistió en la determinación de la posición y el brillo de todas las estrellas hasta la magnitud 10, visibles con el telescopio Alvan Clark de 5 pulgadas (127 mm) de diámetro, adquirido en la época de la fundación del Observatorio.

En 1909, la Córdoba Durchmusterung se encontraba con un avance del 93%, si se considera el número de estrellas a medir. Estaba completo hasta la declinación – 52°, y casi lista la zona hasta – 62°, la que fue publicada en 1914 después de realizarse una revisión general y algunas correcciones.  Faltaba observar desde -62º al polo.

A su llegada, el director encuentra el objetivo del telescopio de 5 pulgadas con la lente posterior del doblete fisurada (la divergente fabricada en vidrio Flint). En noviembre de 1909, se envió el objetivo al óptico Carl Lundin de la empresa Alvan Clark & Sons, para su arreglo. Fue recibido reparado en mayo del año siguiente. Este hecho retrasó la continuación de las observaciones.

Superado el inconveniente, de la zona -62° a -64° se encargó el astrónomo Enrique Chaudet, quien la observó entre 1923 y 1926, y la correspondiente hasta -81°, fue medida por José Tretter, entre agosto de 1926 y diciembre de 1928.  La faja hasta el polo se encaró con el Círculo Meridiano, con el propósito de que también sirvieran para el catálogo de zonas de la Astronomische Gesellschaft. Las observaciones finalizaron en 1923.

En estas zonas faltantes, Perrine decidió adoptar como escala de magnitudes la recientemente establecida en Harvard. En particular, para el casquete polar, se propuso utilizar un fotómetro, instrumento especializado en la determinación del brillo de las estrellas, con el propósito de conseguir un sistema uniforme de magnitudes (Perrine a Pickering 25/9/1911).

El 19 de junio de 1911, Perrine escribió a Edward Pickering, director del Harvard College Observatory, una misiva en la que le solicitaba el favor de conseguir un fotómetro “de cuña”, que pudiera montarse en el telescopio de 5 pulgadas, el que para ese momento ya se encontraba reparado. Le advierte que su costo no debía exceder los 200 dólares (Perrine a Pickering 19/6/1911). Este tipo de instrumento utilizan un filtro, que absorben parte de la luz, en igual valor para todas las longitudes de onda (colores), cuya densidad, esto es, su absorción de la luz, varía linealmente desde un máximo hasta 0, formado una rampa o cuña, de donde proviene su nombre.

Pickering responde inmediatamente el 29 de julio siguiente, señalando que le enviaba por la empresa American Express, sin costo, un fotómetro de cuña fabricado gracias al fondo Rumford otorgado por la American Academy of Arts and Sciences[2], incluyendo un filtro de repuesto. Aclara que, si era necesario, contaba con la autorización de modificarlo para adaptarlo a las necesidades observacionales. Incluso ofrece la posibilidad de enviar nuevos filtros. Sin dudas una agradable sorpresa para Perrine (Pickering a Perrine 29/7/1911).

La razón por la que el director del observatorio de Córdoba realizó el pedido a su colega de Harvard, fue debido a que Pickering trabajaba desde hacía largo tiempo en la estandarización de las magnitudes estelares, tanto en el hemisferio norte como en el sur, desde la estación que esa institución tenía en Arequipa, Perú. Desde 1878, había conseguido varias subvenciones del Rumford Fund, destinadas a costear sus investigaciones fotométricas.

En particular, en 1900 le conceden 500 dólares:

Para construir un nuevo tipo de fotómetro que se utilizará en una investigación sobre el brillo de estrellas débiles, para ser llevado a cabo en cooperación con ciertos observatorios que poseen grandes telescopios“.

AAAS 1905

En esa ocasión se elaboraron cinco fotómetros de cuña diseñados por el mismo Pickering (Pickering 1913, 79), que fueron enviados a distintas instituciones, por ejemplo, al Yerkes Observatory, donde fue utilizado con el refractor de 40” (1 metro) (Parkhurst 1901) y al Lick Observatory[4]. En 1903 obtuvo otros 150 dólares para dos nuevos fotómetros estelares, que quedarían a disposición del Rumford Committee, a la espera de poder ser empleados en algún trabajo (AAAS 1905, 20). Mientras que los primeros fotómetros contaban con un solo filtro (“cuña”), los segundos tenían dos. Uno de estos últimos instrumentos fue empleado en Hanover, Sudáfrica (Pickering 1913).

Dos de los fotómetros de cuña diseñados por Pickering y fabricados en Harvard. Izquierda, el entregado a la Princeton University[3], el de la derecha, al Lick Observatory (Nº 3)[4]. A diferencia del existente en el MOA, estos fotómetros cuentan con un solo filtro (cuña).

Teniendo en consideración la breve descripción que se realizan en Pickering 1913 (pp. 79-80), así como la documentación encontrada, el fotómetro existente en Córdoba corresponde a uno de los dos fabricados en 1903.  

El fotómetro de cuña fue recibido en Córdoba a fines de 1911. El 19 de septiembre de ese año, Perrine dirigió una misiva a M. Díaz de Vivar, gestor de aduanas de Buenos Aires, acompañada con la certificación consular necesaria para importar un cajón de instrumentos que habían llegado desde Nueva York en el vapor “Horatius”, con:

 “… un pequeño instrumento para prender a un telescopio usado en determinar el brillo de las estrellasprestado al observatorio por la Academia Americana de Artes y Ciencias de Boston.”.

Perrine a Díaz de Vivar 19/09/1911

En el cuerpo del instrumento del Museo se puede ver un estampado con los caracteres RC 1, que se estima corresponde a “Rumford Committee 1”, el primero de los dos fotómetros construidos con los fondos otorgados en 1903. Se desconoce si el de Córdoba fue el utilizado en Hanover o en otro sitio, pero ante la falta de referencias al respecto en la correspondencia entre ambos directores, lo más probable es que se trate de un aparato que al momento de ser prestado al Observatorio Nacional Argentino no se había utilizado.

Detalle del cuerpo del fotómetro en el que se aprecia la marca “R C 1”, se estima correspondiente a “Rumford Committee Nº1” (S. Paolantonio).

En la publicación de la última zona de la Córdoba Durchmusterung, realizada en 1932, en la segunda parte del volumen 21 de los Resultados del Observatorio Nacional Argentino, se indica que se había utilizado un fotómetro prestado por Pickering, y lo identifica como del tipo polarizador (Perrine 1932, VI), lo que, de acuerdo a lo expuesto anteriormente es incorrecto. Esta afirmación fue posteriormente recogida por distintos historiadores. En particular, John Hodge, hace mención de un fotómetro de polarización que habría sido prestado por Pickering a Thome en 1894, que anteriormente se había empleado en Arequipa, para finalmente señalar que este fotómetro fue el utilizado por Perrine (Hodge 1971, 220). Sin embargo, al momento no se ha encontrado en la institución un fotómetro polarizador, ni documentación alguna que permita apoyar esta aseveración. Además, en un listado de instrumentos de fines de la década de 1920, encontrado en el archivo del MOA, se identifica un único fotómetro, mientras que en el inventario de 1956 solo se menciona el fotómetro de cuña, descripto en el presente artículo.

Fotómetros de cuña

En 1882, Pickering consideraba que, si bien la idea de hacer fotometría utilizando un filtro de absorción variable era antigua, el mérito de su introducción como método práctico de fotometría estelar pertenecía al profesor Charles Pritchard, director del Observatorio de la Universidad de Oxford. Consideraba que el uso de este tipo de aparatos era promisorio.

Estos primeros fotómetros consistían en un filtro de absorción neutro cuya densidad variaba progresivamente en forma lineal[5], colocado en el camino de la luz proveniente del objetivo del telescopio. El filtro (“cuña”) se movía hasta que la estrella a medir no se podía ver, en esta situación, la posición del filtro se relacionaba con el brillo de la estrella. Para deducir el valor de la magnitud, debía repetirse el procedimiento con algunas estrellas de brillos conocidos (“estándares”). En estos dispositivos, las estrellas estándares y la que se medía debían estar en el mismo campo del ocular o muy cerca. Pickering, como alternativa, propuso realizar las determinaciones dejando que la estrella recorriera el filtro en su movimiento diurno, para lo cual debía colocar en la dirección este-oeste. Para realizar la medición, se contabilizaba desde una maraca determinada el tiempo que la estrella tardaba en desaparecer por la absorción del filtro, tiempo que posteriormente se vinculaba a su magnitud (Pickering 1882).

Fotómetro de cuña. En este tipo de instrumento la cuña se ubica en el camino de la luz que llega al ocular. Fabricado en Londres. Este tipo de fotómetros se ofrecían en el catálogo de la empresa Cooke, Troughton & Simms Ltd. (Harvard University. Collection of Historical Scientific Instruments. http://waywiser.fas.harvard.edu/objects/12576/wedge-photometer?ctx=c8d95bea-74cd-4b06-8a7f-1723183dd3c3&idx=8).

Como se comentó, en 1900 Pickering diseña y hace construir nuevos fotómetros de cuña, los que a diferencia de los anteriores, empleaban una estrella de comparación producida artificialmente con una lámpara. Una descripción detallada de estos aparatos se encuentra en Parkhurst 1901. Los fotómetros construidos posteriormente en 1903, son esencialmente iguales a los anteriores, a no ser por el agregado de una segunda cuña.

Descripción del fotómetro existente en el MOA

El fotómetro de cuña es un fotómetro de comparación, dado que las mediciones se realizan cotejando la estrella observada con la imagen de una “estrella” generada artificialmente, en forma similar al fotómetro ideado por Karl F. Zöllner. Este instrumento se puede montar en cualquier telescopio, en la posición en que se ubica el ocular, tal como se muestra a continuación.

Fotomontaje que muestra cómo se ubicaba el fotómetro de cuña en el telescopio Alvan Clark de 5 pulgadas, empleado en la obra Córdoba Durchmusterung. La fotografía del telescopio fue tomada el 25 de agosto de1929, algunos años después que se terminaran las observaciones fotométricas (Archivo OAC). La imagen del fotómetro es actual (fotomontaje S. Paolantonio).

En las imágenes siguientes se aprecian dos vistas del fotómetro existente en el MOA. El cuerpo del instrumento está fabricado en bronce y sus dimensiones generales son de 260 x 245 x 112 milímetros.

Dos vistas del fotómetro de cuña resguardado en el Museo del Observatorio Astronómico de Córdoba. A la izquierda, vista desde el lado del ocular (no se encuentra). Las dos perillas permiten mover los filtros (“cuñas”), que se ven claramente en la vista de la derecha, del lado del telescopio. Arriba se ubica la lámpara, filtro azul y diafragma que generan la estrella artificial, y en la parte baja del tubo largo se encuentra la lente que forma la imagen de la misma en el plano focal del ocular (S. Paolantonio).

En la siguiente imagen se muestra un esquema explicativo del diseño y funcionamiento del fotómetro.

Esquema óptico del fotómetro de cuña. La luz proveniente de la estrella artificial formada por el conjunto lámpara, filtro azul y diafragma, es enfocada por la lente “1” en el plano focal del ocular. Previamente, la luz pasa por una de las cuñas (filtro 1), con la que se puede variar su intensidad. La luz es reflejada en ambas caras de una lámina de caras paralelas ubicada a 45º, duplicando la imagen de la estrella artificial. La luz proveniente del telescopio pasa por
otra cuña (filtro 2) y llega al ocular previo paso por la lámina de caras paralelas. El esquema de la derecha muestra cómo se verían las imágenes de la estrella a medir y las artificiales a través del ocular (S. Paolantonio).

En este fotómetro, la estrella artificial se produce por medio de una pequeña lámpara eléctrica, un filtro azul y un diafragma. El filtro se coloca para lograr que el color de la luz sea lo más parecida posible a la que usualmente tienen las estrellas a observar. El diafragma, consiste en una lámina metálica con varios pequeños orificios de diferentes diámetros, que puede desplazarse en una ranura, para que el observador elija el que considera más conveniente. En el fotómetro de Córdoba aún no se ha podido ubicar el diafragma.

Conjunto lámpara-filtro-diafragma que forma la estrella artificial. La lámpara, marca OSRAM, es de 6,3V. Se ha quitado la protección (izquierda) que tapa la luz de la lámpara. El diámetro mayor es de 58 mm, mientras que el del tubo que se acopla al resto del fotómetro es de 29 mm, y la altura total con protección incluida tiene unos 65 mm (S. Paolantonio).

Una lente permite formar una imagen de esta “estrella” en el plano focal del ocular. Previamente, la luz pasa por una de las cuñas, que hace posible variar su intensidad, y se refleja en las caras anterior y posterior de una lámina de vidrio transparente, ubicada a 45º. De este modo, en el plano focal del ocular se forman dos imágenes iguales ligeramente separadas entre sí, según el espesor de la lámina de vidrio. El conjunto se encuentra ubicado perpendicular al eje óptico del telescopio en el cual se monta el fotómetro.

Lámina de vidrio transparente de caras paralelas. Dimensiones: 44 x 44 mm y 2,5 mm de espesor (S. Paolantonio).
Detalle del cuerpo del fotómetro. Se aprecia la ranura para la lámina de caras paralelas y el porta ocular (S. Paolantonio).

La luz proveniente del objetivo del telescopio pasa por un segundo filtro que permite variar su brillo, para luego atravesar la lámina de vidrio transparente, formando en el plano focal del ocular la imagen de la estrella que se está midiendo, la que usualmente el observador ubica entre las dos correspondientes a la estrella artificial.

Ambas cuñas, de 27 x 127 mm, tienen la posibilidad de moverse, en forma continua o por pasos, por medio de perillas. La posición de cada filtro se puede determinar por escalas numeradas de 0 a 7, divididas en 10 partes (valores 0 a 70), que tiene un largo total de 178 mm.

Detalle del cuerpo del fotómetro, desde el lado del telescopio. Pueden verse los dos filtros (“cuñas”), las perillas para moverlas y las palancas que permiten pasar de un movimiento continuo a otro por pasos. El filtro 1 permite variar la intensidad de la estrella artificial, mientras que el 2, cambia el brillo de la estrella a medir (S. Paolantonio).
Detalle del marco que sostiene uno de los filtros, donde se ve la cremallera y las ranuras que permiten moverlos por pasos. El espacio sin filtro posibilitaba realizar la observación sin la interferencia del mismo (S. Paolantonio).
Dos vistas obtenidas desde el lado del ocular, en las que se aprecian las escalas que indican la posición de los filtros (cuñas). Pueden verse la cremallera y perillas que permiten el movimiento de las cuñas. Las escalas, graduadas de 0 a 7 con 10 divisiones entre cada número, tiene una longitud de 7 pulgadas (178 mm) (S. Paolantonio).
Vista a través del porta ocular (S. Paolantonio).

Observaciones realizadas

Al enviar el fotómetro, Pickering advierte que no era sencillo el uso de estos aparatos, y que probablemente se requeriría bastante tiempo y práctica para lograr buenos resultados. Señala que a pesar de esto, en Arequipa, Solon I. Bailey había logrado excelentes mediciones del asteroide Eros, trabajo publicado posteriormente en 1913 (Pickering a Perrine 29/7/1911, Bailey 1913). Por otro lado, parece ser que este tipo de fotómetros era más simple de utilizar que los de polarización, al menos cuando el rango de magnitudes era amplio (Miczaika y Sinton 1967, 154).

Básicamente, la observación consistía en igualar el brillo de las dos imágenes de la estrella artificial con la estrella medida, variando la posición del filtro correspondiente. La cuña debía calibrarse, por ejemplo, realizando la observación de un conjunto de estrellas estándares, de magnitudes conocidas, con lo que se podía determinar la relación posición de la cuña versus magnitud medida. Cuando la estrella observada era brillante y la intensidad de la lámpara no permitía igualar las imágenes, se utilizaba la segunda cuña para disminuir el brillo de la estrella.

Aún no se han encontrado referencias sobre la técnica de observación empleada en Córdoba, sin embargo, es probable que se haya seguido la utilizada en Hanover con este tipo de fotómetro. Pickering señala que, para simplificar la reducción, solo se utilizaron cuatro posiciones de la cuña que recibe directamente la luz proveniente del telescopio. Una se correspondía a la posición sin cuña, y las otras en los valores 30, 35 y 40 de la escala. Como se indicó, solo se usaba cuando la luz de la lámpara que formaba la estrella artificial no era suficientemente brillante para equipararse a la que se medía. Por otro lado, destaca que en general se habían obtenido mejores resultados utilizando para la comparación, únicamente la imagen de la estrella artificial formada por la cara anterior de la lámina de caras paralelas (Pickering 1913, 79-80). La precisión que se lograba era de unas ±0,03 magnitudes.

El uso del fotómetro recién comenzó a principios de 1913. El atraso en el inicio de las mediciones seguramente se relacionó con los preparativos y el viaje para la observación del eclipse total de Sol en octubre de 1912 en Brasil.

Las observaciones fueron encargadas a Chaudet, con la ayuda de Maximino Esteban. El fotómetro estuvo listo para su uso el 20 de abril. A fines de 1913 se habían realizado 2300 observaciones y las reducciones para 300 estrellas (informe Chaudet enero 1914). Perrine afirmaba que se habían podido medir estrellas hasta la magnitud 9,5 (Perrine a Pickering 20/10/1913).

Para fines de 1921, se consideraba que el trabajo estaba prácticamente terminado (informe Chaudet 31/12/1921), aunque al año siguiente debieron revisarse la medición de 836 estrellas (informe Chaudet enero 1923).

Agradecimientos

Al staff del Harvard University Archives, Pusey Library—Harvard Yard por la documentación referente a la correspondencia Pickering-Perrine gentilmente facilitada, sin la cual hubiera sido imposible realizar este artículo.

Al encargado del Museo del Observatorio Astronómico, Dr. David Merlo, por facilitar el acceso al fotómetro estudiado y la documentación relacionada ubicada en sus archivos.

Notas

[1] (volver) Edward Charles Pickering (19/7/1846 –3/2/1919) fue un destacado astrónomo estadounidense. Dirigió el Observatorio de Harvard desde 1877, cuando tenía 31 años de edad, y hasta su fallecimiento. Realizó investigaciones relacionadas con la clasificación de los espectros estelares y fotométricos, utilizando diversas técnicas, en particular la fotografía. Por sus trabajos, que plasmó en numerosas publicaciones, recibió varios premios. Hoy, un cráter lunar y otro marciano llevan su nombre, al igual que el asteroide Nº 784.

[2] (volver) En 1796, Benjamin Thompson (1753-1814), conde Rumford, destacado por sus estudios de los fenómenos calórico, realizó donaciones iguales a la Real Sociedad de Gran Bretaña y la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias de EE.UU. para la creación de un premio, que otorga dos medallas, una de oro y otra de plata, así como fondos para las investigaciones que se consideran importantes para el desarrollo en los campos del calor y la luz. En el caso de la Academia norteamericana, se constituyó un comité de 7 integrantes para la administración de los fondos y considerar el otorgamiento de los premios. Sobre este premio puede consultarse: AAAS 1905 y https://www.amacad.org/archives/history/prizes.

[3] (volver) Smithsonian. National Museum of American History. www.si.edu/object/photometer:nmah_1819586

[4] (volver) The Lick Observatory. Historical Collections. http://collections.ucolick.org/exhibits_on_line/E2E.1/Pickering_wedge.html

[5] (volver) Estos filtros, usualmente se realizaban con una placa fotográfica.

Referencias

  • American Academy of Arts and Sciences (1905). The Rumford fund of the American academy of arts and sciences. Boston, The Academy. Disponible en https://hdl.handle.net/2027/uc2.ark:/13960/t5k932n9c .
  • Bailey S. I. (1913). Observations of Eros and other asteroids. Annals of the Astronomical Observatory of Harvard College; 72, 5, Cambridge, Mass.: The Observatory, pp. 165-189.
  • Hodge J. E. (1971). Juan M. Thome, Argentine Astronomer from the Quaker state, Journal of Inter-American Studies and World Affairs XIII, 215-229.     
  • Miczaika G. R. y Sinton W. M. (1967). Las herramientas del astrónomo. Buenos Aires: Editorial de la Universidad de Buenos Aires.
  • Parkhurst J. A. (1901). Determination of the Wedge Constant of a Stellar Photometer. Astrophysical Journal, 13, pp.249-259.
  • Perrine C. D. (1932). Zonas de Exploración. V. 21, segunda parte. Resultados del Observatorio Nacional Argentino.
  • Pickering E. C. (1882). The wedge photometer. The Observatory, 5, pp. 231-233.
  • Pickering E. C. (1913). Observations with the Rumford photometer. Annals of the Astronomical Observatory of Harvard College; 72, 4, Cambridge, Mass.: The Observatory, pp. 79-163.

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Paolantonio, S. (2021). Fotómetro de cuña. Empleado en la medición del casquete polar de la Córdoba Durchmusterung. Disponible en https://historiadelaastronomia.wordpress.com/documentos/fotcuna. Recuperado el … (indicar la fecha).

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