S. Paolantonio
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Entre los instrumentos con que contaba el Observatorio Nacional Argentino para la época de su fundación se destaca el fotómetro Zöllner (Paolantonio y Minniti, 2001), aparato que adquiere especial relevancia debido a que junto a un espectroscopio fueron los dos únicos comprados que estaban destinados a la investigación astrofísica, rama de la astronomía en pleno crecimiento a fines del siglo XIX.
Diseñado por Karl Friedrich Zöllner, este dispositivo fotométrico es un telescopio especializado dedicado a la estima del brillo de objetos celestes. Se constituyó en un gran paso adelante hacia la fotometría de precisión, por lo que puede ser considerado como el más importante a nivel mundial en aquel momento (Sterken & Satubermann, 2001).
El fotómetro del observatorio argentino fue elaborado en 1870 en los talleres del fabricante de aparatos científicos Hermann Ausfeld de Gotha, Alemania, bajo el asesoramiento del propio inventor, entonces residente en la ciudad de Leipzig.
Hasta donde se tiene conocimiento, el fotómetro del Observatorio Nacional y el del Cape Observatory (de Sitter, 1899), fueron los únicos que se utilizaron en el hemisferio sur de los 22 fabricados.
En el momento en que se inició el proceso que llevó al establecimiento del Observatorio Nacional en la ciudad de Córdoba, diversas instituciones científicas dieron su apoyo contribuyendo con bibliografía y diversos equipamientos. En particular, la Academia Americana de Artes y Ciencias de Boston encargó para el nuevo observatorio el fotómetro Zöllner, junto al mencionado espectroscopio diseñado por el mismo científico (Minniti y Paolantonio, 2009). Los instrumentos, solventados con el Fondo Rumford, se enviaron con la intención de que fueran devueltos una vez cumplidos los fines para los que estaban destinados o adquiridos a cambio del reintegro de su costo.
Luego de que el fotómetro y el espectroscopio llegaran a Córdoba a mediados de 1872, el director Dr. Benjamin Gould solicitó al Ministro Nicolás Avellaneda (Gould, 1872 y 1874) el aporte de 500 pesos fuertes para la Academia, con el objeto de que ambos aparatos quedaran definitivamente como propiedad del observatorio. La petición fue aprobada y el pago concretado a fines de 1872. De este modo, lo realizado por la Academia de Boston obró como un crédito que permitió, a pesar del limitado presupuesto inicial, contar con estos elementos que harían posible llevar adelante parte de las tareas planificadas (Gould, 1873; 472 y Minniti y Paolantonio, 2009; 64-66).
El instrumento llega a Córdoba desarmado, embalado en una caja de madera de 60 x 60 x 40 cm. Las piezas estaban distribuidas en dos bandejas corredizas y en la pared de fondo de la caja, aseguradas mediante abrazaderas fabricadas también en madera.
El fotómetro Zöllner fue montado en la cúpula pequeña – 4 metros de diámetro – ubicada al norte sobre la entrada principal.
Gould estaba muy al tanto sobre las posibilidades de este instrumento ya que su maestro, el astrónomo alemán Friedrich Argelander, contaba con uno desde 1861 (Staubermann 2007, 48). Por otro lado, en el mismo año en que se funda el observatorio argentino, el de la Universidad de Harvard también compra un fotómetro Zöllner. El aparato comenzó a ser utilizado por Charles S. Peirce, hijo de Benjamin Peirce, profesor del Dr. Gould cuando estudió en aquella universidad [1].
La intención de Gould fue emplear el “astrofotómetro de Zoellner” para complementar las apreciaciones de magnitudes estelares realizadas para la Uranometría Argentina. Sin embargo, no pudo concretarlo por falta del tiempo necesario (Gould, 1879; Paolantonio y Minniti, 2001; Minniti y Paolantonio, 2009):
“Las circunstancias no me han permitido llevar a cabo este propósito. Admitirá, sin embargo, una ejecución fácil por otros, con tal que el número de las estrellas que se observen con este objeto, baste para eliminar las influencias individuales que según mi convicción, que se arraiga más y más con cada año, ocurren continuamente en la mayor parte de las estrellas fijas.”
Gould, 1879
En referencia a las estrellas rojas señala que podrían estudiarse con facilidad empleando el fotómetro, destacando que fue su “propósito primitivo”, pero nuevamente se escusa que muy a pesar suyo debió postergar estas tareas “por circunstancias inevitables” (Gould, 1879, Cap. II).
En el capítulo 1, ítem “Tipos de Magnitudes”, destaca las dificultades que implicaba extender la escala de magnitudes empleando el fotómetro, por la introducción de una nueva escala distinta a la empleada en el trabajo, obtenida por estimas visuales a “ojo desnudo” [2].
“…Es verdad que tenía un fotómetro de la construcción Zoellner,…; pero la introducción de una razón arbitraria para la serie de gradaciones de luz habría contrariado el objeto que tenía en vista, pues era este establecer una nueva escala, sino valerme de la de la Uranometría Nova. A más, esto habría necesitado una cantidad de observaciones e investigaciones preliminares para la cual no había tiempo disponible, aún cuando las circunstancias hubiesen sido propicias bajo otros aspectos…”
Gould, 1879, Cap. I
La utilización de este instrumento requería de un gran esfuerzo, y al parecer el director no estaba dispuesto a prolongar por más tiempo la publicación de la que sería la primera obra del observatorio: la Uranometría Argentina.
Estas circunstancias llevaron a que finalmente en esta primera época el fotómetro se empleará solo ocasionalmente, principalmente para el seguimiento de algunas pocas estrellas de brillo variable, publicándose trabajos sobre R Hydrae en 1882 y la notable Eta Argus en 1889. No se tienen referencias posteriores a estas fechas que señalen el empleo del instrumento.
Con el pasar del tiempo, el fotómetro Zöllner sería superado por nuevos desarrollos tecnológicos, si bien se tienen referencias de su utilización en distintos observatorios hasta bien entrado el siglo XX.
Descripción del fotómetro
A partir de la primera mitad del siglo XIX comenzaron a desarrollarse diversos fotómetros para medir el brillo de las estrellas (magnitud estelar aparente), destinados a los trabajos iniciales relacionados con la astrofísica.
Uno de estos primeros fotómetros fue el de comparación diseñado y construido por Carl August Steinheil (1801-1870), profesor de matemática y física en Munich y propietario de un negocio de óptica desde 1854. El instrumento, presentado en 1834 (Steinheil, 1835), conocido como “fotómetro de prisma”, permitía comparar el brillo de dos estrellas cuyas imágenes extra focales (desenfocadas) podían verse simultáneamente por el ocular. La luz proveniente de las estrellas a comparar era recogida por un objetivo dividido en dos partes iguales. Delante de cada sección se encontraba un prisma de reflexión total que podía moverse en todas direcciones para apuntar a la estrella deseada.
Sin embargo, el fotómetro que hoy es considerado como el más importante de la época fue el inventado por Zöllner entre 1858 y 1859 (Staubermann, 2007; 50). Al igual que el de Steinheil, era un dispositivo de comparación, pero en este caso con una fuente artificial cuya intensidad luminosa podía variarse utilizando el fenómeno de polarización, de acuerdo a una propuesta realizada tiempo antes por el reconocido científico y político francés François Arago (Hearnshaw, 1996; 64).
Los diseños de estos dos instrumentos se habían presentaron con motivo de un concurso propuesto en 1853 por la Academia de Ciencias de Viena, se sabe que el premio finalmente nunca fue otorgado (Stauberman 2000, 323).
Johann Karl Friedrich Zöllner nació en Berlín el 8 de noviembre de 1834. Desde temprana edad mostró actitud por la mecánica y el diseño de instrumentos científicos. En 1855 estudió física en su ciudad natal, recibiéndose dos años más tarde en la Universidad de Basilea. Posteriormente fue profesor de física y astronomía en la Universidad de Leipzig. Sus intereses se centraron en la fotometría, el color de la luz y las ilusiones ópticas. Fallece a la temprana edad de 47 años, el 25 de abril de 1882 en la ciudad de Leipzig. Un cráter de la Luna lleva su nombre. (Anónimo, 1883 y Hockey, 2012).
Zöllner fue autor de numerosos artículos, en dos de los cuales describe las características y forma de uso de su fotómetro: Grundzüge einer allgemeinen Photometrie del Himmels (Lineamientos generales sobre la fotometría celeste) de 1861 y Photometrische Untersuchungen (Investigaciones fotométricas) de 1865.
Figura 6. Esquema óptico del fotómetro Zöllner del OAC. 1 y 2: objetivo y ocular del telescopio. 3: llama de la lámpara de querosén, 4: diafragma. n’’ y n’’’ prismas de Nicol destinados a variar la intensidad de la luz de comparación. q y n’: lámina de cuarzo y prisma de Nicol para producir el cambio de color de la luz de comparación. Las lentes divergente y convergente mostradas forman las imágenes a en el plano focal del telescopio, luego de la reflexión en las dos superficies de la lámina de vidrio de caras paralelas (5) (S. Paolantonio).
Como se indicó, el aparato fundamenta su funcionamiento en la comparación del brillo del objeto astronómico que desea estudiarse con la luz proveniente de una fuente artificial, generada por la llama de una lámpara de querosén (3, figuras 6 y 7) y un pequeño diafragma (4). Una lente divergente y otra convergente permiten formar en el plano focal del telescopio una imagen que imita una estrella.
El brillo de la “estrella artificial” puede variarse mediante el empleo de dos prismas polarizadores de Nicol [3] (n’’’ y n’’) alineados, uno fijo y otro posible de ser girado. Cuando los planos de polarización de ambos elementos coinciden, la luz que transpone el primero pasa sin inconvenientes el segundo. Si se gira uno de los prismas, al no coincidir sus planos, la luz pasante disminuye proporcionalmente al cuadrado del coseno del ángulo.
El instrumento también permite cambiar el color de la “estrella artificial” mediante una lámina de cristal de roca (cuarzo) (q) y un tercer prisma de Nicol que puede girarse (n’).
Forma de uso
Suponiendo que se desea estimar la magnitud de una estrella, se apunta el telescopio del fotómetro hasta ubicar su imagen en el centro del campo del ocular. En este caso el observador verá también las dos imágenes de la estrella artificial (ver fig. 8).
El diafragma (4, figuras 6 y 7) consta de 6 orificios de distintos diámetros, los que según la conveniencia pueden ser seleccionados girándolo (ver fig. 13).
Girando el prisma correspondiente (n’’, fig. 6), se podrá variar la intensidad luminosa de la estrella artificial hasta que se estime igual a la de la estrella estudiada. En la rueda graduada grande (7, fig. 7) podrá leerse el ángulo de posición, correspondiente al complemento del ángulo entre los planos de polarización de los dos prismas de Nicol.
De igual forma se procede con la medición de otras estrellas cuyas magnitudes sean conocidas (estándares).
Por comparación de las lecturas, teniendo en cuenta la dependencia del brillo con el ángulo leído en cada caso, es posible determinar la magnitud de la estrella estudiada. En los cálculos también debía tenerse en cuenta la absorción de la atmósfera de la luz proveniente de las estrellas, la que depende de su altura sobre el horizonte cuando se realiza la medición.
Dado que la comparación visual de brillos es influenciada por el color de las estrellas por el llamado efecto Purkinge, es posible modificar el color de la luz girando el prisma n’ (fig. 6), hasta que sea similar al de la estrella real. El ángulo girado es indicado por la rueda graduada menor (8, fig. 7).
No se ha encontrado una descripción del método con que se utilizaba el fotómetro en el observatorio cordobés, sin embargo, de acuerdo a lo relatado por Charles S. Peirce (1878) se deduce que su empleo implicaba gran destreza, mucho trabajo y largo tiempo para cada medición. Indica que la utilización del variador de color era muy difícil y la lectura de la escala imprecisa por estar dividida cada 5° (ver fig. 16), por lo que durante las observaciones mantenía fija esta variable siempre que le era posible.
Peirce señala que la calidad de la imagen formada por el telescopio no era buena debido a la lámina de caras paralela interpuesta.
Pone especial énfasis que para el correcto funcionamiento del aparato, los prismas n’’’ y n’’ debían encontrarse perfectamente alineados.
Los errores en las mediciones realizadas con el fotómetro Zöllner de acuerdo a lo indicado en la bibliografía, son comparables a los obtenidos con métodos visuales, del orden de 0,05 magnitudes o mayores (de Sitter, 1899; Staubermann 2007).
Este instrumento posee una gran pérdida de luz de la fuente artificial debido a los prismas de Nicol y las numerosas superficies interpuestas en su trayectoria, que suman más de 14 en el conjunto polarizador y lámina de caras paralelas.
De la lectura de las descripciones de algunos de los fotómetros Zöllner existentes en diversos observatorios, es posible afirmar que si bien todos los construidos siguen el mismo principio de funcionamiento, cada uno tiene particularidades que los distinguen (fig. 9).
Fotómetro Zöllner del Observatorio Nacional Argentino
El fotómetro del observatorio astronómico de Córdoba está elaborado principalmente en latón laqueado, a excepción de las escalas graduadas que fueron realizadas en plata.
El telescopio cuenta con un objetivo acromático de dos lentes y 72 mm de diámetro, que permitía estimar estrellas de hasta aproximadamente la magnitud 7 (Thome, 1889). Posiblemente fue el de mayor abertura entre los fotómetros Zöllner construidos.
Está provisto de una lámpara a querosén. Cabe aclarar que algunos de los fotómetros fabricado también utilizaron lámparas de gas, e incluso algunos fueron actualizados con la instalación de una lámpara eléctrica (de Sitter, 1899).
Durante las mediciones resultaba primordial mantener la llama de la lámpara siempre del mismo brillo, por lo que debían tomarse numerosas precauciones. Para que las corrientes de aire no afectaran la llama, estaba protegida por un tubo (4, fig. 11), y el aire necesario para la combustión era suministrado por tres tubos curvos estratégicamente ubicados (3).
La mecha debía cortarse lo más horizontal posible y para que no se ensanchara mucho la llama se despuntaban los ángulos del corte. La llama era controlada a través de una ventana de vidrio azul existente en el tubo de protección (7) y mediante un pequeño caño que servía de referencia (8). Era conveniente que el nivel de querosén no variara mucho por lo que debía ser controlado permanentemente (2).
La lámina de cuarzo (“q”, figuras 6 y 13) tiene un espesor de 5 mm (Zöllner, 1865; 321 y Peirce, 1878; 89).
El largo del conjunto polarizador (“a”, fig. 7) es de 20 centímetros. La rueda con la escala en que se lee el giro del Nicol que varía la intensidad de la luz de comparación tiene un diámetro de 98 mm, mientras que la correspondiente al cambio de color 44,5 mm.
De acuerdo a Stauberman (2000; p. 327) el espesor de la lámina de caras paralelas (6, fig. 15) en estos instrumentos es de 5 mm.
El fotómetro requiere de dos contrapesos, uno para la lámpara (fig. 18) y otro para balancear el telescopio (fig. 16), el cual se atornilla en el conjunto polarizador (9, fig. 13).
Entre las piezas del fotómetro del observatorio cordobés no se encontró un prisma cenital para el ocular, el que sí estaba incluido en otros aparatos, tal el caso del adquirido por el Observatorio de Harvard (Peirce, 1878). Este hecho llama la atención teniendo en cuenta que por ser aconsejable realizar las estimas cuando el objeto estudiado está a la mayor altura posible sobre el horizonte, frecuentemente el telescopio se ubica próximo a la vertical, por lo que sin prisma cenital el observador es obligado a adoptar posiciones muy incómodas, situación que conspira contra una adecuada medición.
En el caso del fotómetro del Observatorio Nacional Argentino, el tubo del telescopio, con su objetivo, puede reemplazarse por otros destinados a distintos fines específicos. Cada tubo cuenta en uno de sus extremos con una rosca que ajusta en la caja prismática que contiene la lámina de caras paralelas y el ocular (fig. 15). Este mecanismo permitía el intercambio de los distintos telescopios con gran facilidad (Thome, 1889).
Uno de los tubos es el denominado “telescopio planetario” (Thome, 1889) (figuras 19 a 21). El objetivo tiene una abertura de 22,5 mm y unos 10 cm de distancia focal. Cuenta con un diafragma múltiple con orificios que limitan la entrada de luz a 23mm, 5,5mm, 4mm y aproximadamente 2,2mm de diámetro (fig. 20). El conjunto del diafragma puede moverse longitudinalmente tal como se aprecia en la figura 19.
Este telescopio es similar al que posee el fotómetro de Zöllner de Strasbourg, mostrado en la figura 9.
El segundo telescopio alternativo cuenta con un objetivo compuesto, diafragmado a un diámetro de solo 3,7 mm, e incluye un conjunto polarizador similar al descripto anteriormente. Si bien no hay referencias sobre su utilización, de acuerdo a la bibliografía consultada (Zöllner, 1865) se estima que estaba destinado a mediciones del Sol y la Luna. Los detalles del telescopio pueden apreciarse en la figura 22.
Se ha ubicado un contrapeso de menor peso que puede reemplazar al mostrado en la figura 16 y que probablemente estaba destinado a utilizarse con este telescopio.
Entre las piezas del fotómetro del Observatorio Nacional Argentino existe un cuarto tubo de telescopio (fig. 24) con un objetivo acromático de dos lentes de 37 mm de diámetro y aproximadamente 38 cm de distancia focal. Lo particular de este elemento es que no cuenta con la rosca para adaptarlo al cuerpo del fotómetro. Es posible que la misma, incluida por separado, se encuentre extraviada.
Agradecimientos
A la Coordinadora General del Museo Astronómico del Observatorio de Córdoba, Dra. María Victoria Alonso, por facilitar el acceso al instrumento y al Dr. Carlos Valotto por su ayuda en el estudio del contrapeso del fotómetro.
Notas
[1] → Benjamin Peirce tuvo una influencia decisiva sobre el futuro director del Observatorio Nacional Argentino en relación a su elección de la astronomía como profesión. Realizaron varios trabajos conjuntos, tal como sus participaciones en el Consejo Científico del Dudley Observatory (Paolantonio y Minniti, 2001).
[2] → El método empleado era el propuesto por Argelander, llamado “de pasos” o “fraccionario”. Consiste en la comparación de la estrella a la cual se le desea determinar su brillo con otras dos cuyas magnitudes se conocen. Una de éstas debe ser más brillante, mientras que la otra menos. El intervalo de magnitudes de las estrellas de comparación se divide en 3, 5 o 10 partes y se elige en que fracción se ubica la estrella que se está estimando. El método es aún hoy usado para estimas rápidas de brillo y por los astrónomos aficionados para el seguimiento de estrellas variables. El error promedio para una observación individual es del orden de una décima de magnitud, el cual se reduce cuando la estima está realizada por diversos observadores.
[3] → El “prisma de Nicol”, que toma el nombre de su inventor, el escoses William Nicol, es un prisma polarizador de luz. Se fabrica a partir de un cristal de calcita (CaCO3), también llamada “Espato de Islandia”, cuya forma es romboédrica. Este material es birrefringente, esto es, tiene dos índices de refracción distintos según la polarización, por lo que cuando un haz de luz no polarizada se refracta en una de sus superficies, se divide en dos haces polarizados perpendicularmente (denominados rayos ordinarios y extraordinarios). Para construir un prisma de Nicol se tallan las bases de un cristal con un ángulo determinado y se corta a lo largo de la diagonal menor, dividiéndolo en dos partes iguales. Luego las partes se pegan entre sí utilizando una resina llamada “bálsamo de Canadá”.
Prisma de Nicol (S. Paolantonio, imagen base “Fundamentos de Física III, Óptica”, F. W. Sears; 1971, p. 180, fig. 7-12).
Referencias
- Anónimo (1883). Johann Karl Friedrich Zöllner. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, V. 43, 185.
- de Sitter, W. (1899). On the use of the electric light for the artificial star of a Zöllner Photometer. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 59, 341.
- Gould, B. A. (1872). Gould a Avellaneda, 12/11/1872. Libro Copiador A, 424-425. Archivo Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de Córdoba.
- Gould, B. A. (1873). Informe al Ministro del año 1872. Libro Copiador A, 28/02/1873, 458-475. Archivo Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de Córdoba.
- Gould, B. A. (1874). Recepción en Boston al Dr. Benjamin A. Gould director del Observatorio Nacional Argentino por sus compatriotas de aquella ciudad y sus cercanías, junio 22 de 1874.
- Gould, B. A. (1875). Informe al Ministro del año 1874. Libro Copiador B, 27/3/1875, 206-225. Archivo Observatorio A de la Universidad Nacional de Córdoba.Gould. B. A. (1879). Uranometría Argentina. Resultados del Observatorio Nacional Argentino. Vol. 1. Córdoba.
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Paolantonio, S. (2012). Fotómetro Zöllner del Observatorio Nacional Argentino. Disponible en https://historiadelaastronomia.wordpress.com/documentos/fotozoellner/. Recuperado el … (indicar la fecha).
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