L’osservazione del Sole col metodo della proiezione

I filtri frontali per l’osservazione del Sole in luce bianca, oggi tanto comuni, fino a qualche decennio fa erano poco diffusi e quelli di qualità decente, in vetro lavorato con tolleranze ottiche, erano pochissimi e costosissimi. La maggior parte dei rifrattori giapponesi veniva equipaggiata con un vetrino scuro da avvitare agli oculari da 24.5 mm – e che anch’io ho usato per moltissimo tempo nonostante i rischi che comportava – oppure con gli schermi su cui proiettare l’immagine del Sole, di cui vediamo qualche esempio nelle figure seguenti, tratte da vecchi cataloghi di cannocchiali Polarex e Tasco:

 unitron

tasco

Non stupisce perciò che nei vecchi manuali di astronomia pratica si leggesse che per osservare le macchie solari il metodo più diretto e sicuro consiste proprio nel proiettare l’immagine su uno schermo posto dietro l’oculare di un telescopio rifrattore.

Con l’avvento dell’Astrosolar™ e il rinnovato interesse per i prismi di Herschel, l’osservazione per proiezione è caduta quasi del tutto in disuso, tanto che gli schermi per proiezione sono spariti dai listini per parecchi anni. Ciò è stato un bene, a mio avviso, perché se i rifrattori made in Japan possedevano fuocheggiatori in metallo in grado perciò di sopportare il calore attorno all’immagine solare proiettata dall’obiettivo, negli strumentini cinesi più economici che ne hanno preso il posto, la plastica spesso abbonda sia attorno all’obiettivo sia attorno all’oculare, e usandoli senza filtri frontali il calore del Sole finirebbe per danneggiare qualcosa.

Di recente gli schermi per proiezione sono riapparsi sia nel mercato delle produzioni in serie sia come accessori realizzati artigianalmente, tanto che oggi tra prismi, schermi e filtri c’è solo l’imbarazzo della scelta. Vixen, del resto, non li ha mai tolti dai suoi cataloghi ma anche altri costruttori hanno preso a proporli a prezzi molto convenienti. Tra i vari dispositivi per proiezione hanno avuto un certo successo il SolarScope e il Sunspotter, entrambi specifici per la didattica scolare.

Qual è il vantaggio rappresentato dall’osservazione per proiezione ?

Per prima cosa c’è il piacere di replicare le osservazioni storiche di macchie solari effettuate fino a tutto il XIX secolo: da Galileo e Scheiner fino a Carrington, Schwabe e oltre, l’osservazione in luce bianca del Sole si è sempre fatta con questo sistema, e noi dilettanti abbiamo proseguito anche quando i professionisti si sono dotati di ben altri mezzi. Tuttavia il disegno del Sole per proiezione è praticato ancora oggi presso alcuni Osservatòri professionali, come l’Osservatorio Reale del Belgio, per il conteggio quotidiano delle macchie solari (si veda ad esempio la pagina http://sidc.oma.be/uset/educ/en/obsen.html).

C’è poi il non trascurabile aspetto relativo alla sicurezza, in quanto l’immagine del Sole non è osservata direttamente, e la sua luminosità sullo schermo – purché il disco sia sufficientemente ingrandito – non offende la vista. Inoltre la proiezione permette l’osservazione simultanea da parte di più persone e ne fa perciò un metodo idoneo alla didattica e alla divulgazione.

Ci sono ovviamente alcuni svantaggi e alcune precauzioni da prendere. Lo svantaggio principale riguarda la nitidezza dell’immagine, che può essere anche molto elevata ma non confrontabile con quella che si ottiene attraverso un prisma di Herschel o un filtro frontale di qualità ottica. La granulazione è meno visibile – più spesso la si intuisce soltanto – e le facole si osservano bene solo se il disco proiettato viene schermato dalla luce ambiente, ciò che rende il metodo un pochino più laborioso.

E’ poi necessario inserire un oculare che verrà perciò a trovarsi in prossimità del fuoco. Questo oculare non dovrebbe contenere gruppi ottici cementati perché il calore potrebbe cuocere il cemento e scollare le lenti, tuttavia io ho usato dei Kellner e anche dei Plössl con un certo successo e senza alcuna conseguenza, almeno finché il telescopio usato è piccolo. E’ ovviamente consigliabile usare oculari da quattro soldi recuperati nell’usato e non pezzi pregiati costituiti da molte lenti.

Più importante è che l’oculare non contenga parti in plastica che fonderebbero in breve tempo. Una valida scelta è costituita dagli Huygens da microscopio di produzione giapponese che si trovano su ebay per pochi euro, oppure dai vecchi Ramsden a corredo degli strumenti Polarex, Criterion ecc. Anche il portaculari deve essere interamente in metallo.

Ancora, essendo attraversato da luce solare non filtrata il telescopio non va mai lasciato incustodito per evitare che altre persone eventualmente presenti ci guardino dentro inavvertitamente senza immaginare le conseguenze. Sarebbe opportuno anche levare il cercatore dal tubo, puntando il Sole col metodo dell’ombra o con un cercatore solare sicuro.

Per diminuire la quantità di calore concentrata dal rifrattore è raccomandabile diaframmare l’obiettivo: 60 – 80 mm di apertura sono infatti più che sufficienti per osservare la maggior parte dei dettagli della fotosfera, inutile impiegare aperture maggiori che invece si possono usare con profitto per fare alta risoluzione coi prismi di Herschel o i filtri frontali.

Infine – ma dovrebbe essere ovvio da quanto detto più sopra – il metodo per proiezione è riservato solo ai cannocchiali astronomici, mentre è sconsigliato con tutte le altre configurazioni ottiche benché vi siano in commercio dei newtoniani su montatura equatoriale tedesca il cui corredo di accessori comprende uno schermo solare da fissare all’asta contrappesi. In questo caso, ancor più che coi rifrattori, l’apertura libera non deve superare i 40 – 50 mm, ottenuti diaframmando eccentricamente in modo da evitare il  secondario e i suoi sostegni.

E’ bene non utilizzare rifrattori con gruppi correttori posti prima del fuoco, tipo i Petzval, anche se, personalmente, non so quanto il rischio di danneggiare il correttore sia reale visto che non si trova esattamente in prossimità del fuoco. Qualcuno più realista del re sconsiglia anche l’utilizzo di rifrattori con obiettivo cementato o spaziato in olio ma non mi risulta che questa preoccupazione abbia un qualche fondamento.

 

UNO SCHERMO DI FACILE UTILIZZO

Per illustrare il metodo della proiezione ho deciso di servirmi del dispositivo commercializzato da Tecnosky di Felizzano (AL). Lo schermo solare Tecnosky  – molto simile a un prodotto analogo marchiato Vixen – è formato da due dischi in alluminio di 205 mm di diametro, uno nero da collegare al telescopio e che funge anche da “parasole“ per lo schermo di proiezione vero e proprio, e un disco bianco sui cui si osserva l’immagine del Sole. Quest’ultimo scorre su due guide tubolari agganciate al disco nero in modo che variando la distanza oculare-schermo si può variare la dimensione dell’immagine solare.

Il disco che funge da sostegno per lo schermo e che va agganciato al portaoculari del telescopio tramite un filetto T2

Il disco che funge da sostegno per lo schermo e che va agganciato al portaoculari del telescopio tramite un filetto T2

LO schermo di proiezione vero e proprio è un disco bianco che scorre su due guide per poterlo disporre alla distanza voluta dall'oculare.  Fatto ciò si fissa la posizione per mezzo di due viti.

Lo schermo di proiezione vero e proprio è un disco bianco che scorre su due guide per poterlo disporre alla distanza voluta dall’oculare. Fatto ciò si fissa la posizione per mezzo di due viti.

Al centro del disco nero è ricavato un foro con una filettatura T2 femmina lato telescopio alla quale si può collegare un raccordo da inserire nel portaoculari (T2/2” oppure T2/1.25”) o direttamente un diagonale provvisto di filetto maschio T2 come i Baader. In quest’ultimo caso il dispositivo di proiezione farà un angolo di 90° con l’asse del tubo ottico, ciò che può risultare utile in diverse occasioni. Dal lato verso cui si proietta il Sole si trova un portaoculari da 31.8 mm in cui si mette l’oculare di proiezione.

Esempio di collegamento dello schermo al fuocheggiatore del telescopio. Poiché il rifrattore utilizzato ha il fuoco molto esterno, ho dovuto aggiungere un paio di prolunghe.

Esempio di collegamento dello schermo al fuocheggiatore del telescopio. Poiché il rifrattore utilizzato ha il fuoco molto esterno, ho dovuto aggiungere un paio di prolunghe sia prima sia dopo il disco nero.

Lo schermo bianco ha un’ottima finitura, molto uniforme, ma con l’uso inevitabilmente si sporca e si graffia, ragion per cui consiglio di usare come superficie di proiezione un foglio di carta bianca agganciato al disco tramite mollette. Il diametro massimo che si può proiettare è di 170 mm perché bisogna tenere conto dell’ingombro delle guide.

Lo schermo solare applicato al mio rifrattore da 150 mm diaframmato a 75 mm. Qui lo schermo viene usato in proiezione diretta, ma è anche possibile disporlo a 90° con l'asse del tubo usando un comune diagonale.

Lo schermo solare applicato al mio rifrattore da 150 mm diaframmato a 75 mm. Qui lo schermo viene usato in proiezione diretta, ma è anche possibile disporlo a 90° con l’asse del tubo usando un comune diagonale.

 

COME SI USA

Una volta fissato lo schermo nero al portaoculari del telescopio, si inserisce l’oculare di proiezione (si può iniziare con un 25 – 30 mm di focale), si toglie il tappo all’obiettivo (che fino a quel momento deve essere tenuto coperto per evitare di scottarsi) e si osserva lo schermo bianco dopo averlo posto, in prima battuta, a circa 20 cm dall’oculare: si vedrà un’ampia macchia luminosa circolare costituita dall’immagine sfocata del Sole delimitata dall’orlo del diaframma di campo dell’oculare. Gli inesperti di solito pensano che quel cerchio luminoso sia già il Sole bell’e pronto da osservare, ma non è così: la prima cosa da fare è invece focalizzare correttamente l’immagine e per farlo cercheremo il lembo del Sole muovendo il tubo del telescopio. Il lembo apparirà sfumato e indistinto, e allora inserendo o estraendo il tubo fuocheggiatore – senza variare la distanza tra i due dischi – cercheremo la posizione in cui il bordo del Sole appare perfettamente nitido e fatto ciò saremo pronti per portare l’immagine al diametro voluto. Cannocchiali con molto backfocus possono richiedere l’utilizzo di prolunghe tra il fuocheggiatore e il disco nero per poter raggiungere il fuoco.

Occorre controllare che il disco solare si veda per intero, cioè che non sia vignettato dal diaframma di campo dell’oculare altrimenti bisogna sostituirlo con uno dotato di un diaframma più ampio. Naturalmente nessuno ci vieta di inquadrare solo una parte del Sole per condurre osservazioni più dettagliate di qualche gruppo particolarmente interessante, ma personalmente ritengo che il fascino maggiore della proiezione sia l’osservazione dell’intero disco del Sole.

Il diametro dell’immagine proiettata – supposta perfettamente a fuoco – è legata alla distanza schermo-oculare e alle lunghezze focali dell’obiettivo e dell’oculare dalla formula

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dove Dp è il diametro in millimetri dell’immagine proiettata, Ds è il diametro apparente del Sole in radianti – variabile tra 0.00917 all’afelio e 0.00948 al perielio – d è la distanza in mm tra l’oculare e lo schermo bianco, F la focale dell’obiettivo e f quella dell’oculare. Una formula approssimata di uso più immediato e che assume un valore medio per il diametro apparente del Sole è questa 

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che fornisce direttamente la distanza oculare-schermo richiesta per ottenere un’immagine solare di diametro Dp in mm.

Fissando il foglio da disegno con una molletta si può disegnare in tutta comodità, purché si abbia l'accortezza di non calcare troppo con la matita per non indurre vibrazioni nel dispositivo. Variando la distanza tra schermo e oculare si porta la dimensione dell'immagine proiettata a concidere con quella del blank. In questo caso ho usato quello dell'Osservatorio Reale del Belgio (USET data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels). Il foglio va ruotato sullo schermo fino a far coincidere la linea E-W con la direzione di deriva del Sole a moto orario spento.

Fissando il foglio da disegno con una molletta si può disegnare in tutta comodità, purché si abbia l’accortezza di non calcare troppo con la matita per non indurre vibrazioni nel dispositivo. Variando la distanza tra schermo e oculare si porta la dimensione dell’immagine proiettata a coincidere con quella del disco presente nel blank. In questo caso,a titolo esemplificativo, ho usato quello dell’Osservatorio Reale del Belgio (USET data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels). Il foglio va ruotato sullo schermo fino a far coincidere la linea E-W con la direzione di deriva del Sole a moto orario spento.

Il diametro va scelto tenendo conto che un’immagine piccola è più brillante ma meno risolta, mostrerà meglio le facole ma non permetterà di distinguere le macchie più piccole, mentre un’immagine grande sarà più risolta ma meno luminosa e definita. Dalle formule di cui sopra si evince che la dimensione dell’immagine proiettata è proporzionale all’ingrandimento e alla distanza tra schermo e oculare, bisogna quindi trovare la giusta combinazione tra dimensione del disco, luminosità e dettaglio. Questo si fa per tentativi ma in generale un Sole di diametro compreso tra 100 e 150 mm è un buon compromesso nella maggior parte dei casi. 

La tabella fornisce le distanze tra oculare e schermo di proiezione per due diametri dell'immagine solare (100 e 150 mm)  e diversi oculari. Tutti i dati sono in mm.

La tabella fornisce le distanze tra oculare e schermo di proiezione per due diametri dell’immagine solare (100 e 150 mm) e diverse lunghezze focali del telescopio (F) e dell’oculare (f). Tutti i dati sono in mm.

Nell’impiego per proiezione gli oculari risultano un po’ più aberrati rispetto a quando vengono usati per osservare il cielo, e queste aberrazioni sono tanto più marcate quanto minore è la focale. E’ bene quindi non scendere sotto i 12.5 mm, se non bastasse è meglio allungare la focale del telescopio con una Barlow.

 

DISEGNARE

Con compasso e righello o un qualunque programma di grafica, anche molto semplice come Microsoft Paint, si può disegnare su carta bianca un blank da attaccare allo schermo e su cui riportare a matita, durante l’osservazione, i dettagli osservati. Il disco, di diametro compreso tra 10 e 15 cm, deve essere simile a questo:

disco x

L’immagine proiettata sullo schermo avrà l’orientamento che si vede qui sopra, col nord in alto e l’ovest a sinistra. Se la proiezione si fa a valle di un diagonale l’ovest si troverà a destra e l’immagine sarà completamente raddrizzata anche se l’osservazione è eseguita tramite un telescopio.

Poiché nessun disegno astronomico ha senso se non è orientato rispetto alle direzioni celesti, la croce nel cerchio servirà proprio a questo scopo. Il ramo orizzontale della croce va disposto nella direzione E-W lungo la quale il Sole deriva nel suo moto diurno (per determinarlo basta spegnere il moto orario, il movimento del Sole indicherà la posizione dell’ovest) mentre coi movimenti del tubo telescopico si determineranno il nord e il sud. Una volta orientato correttamente il blank si procederà al disegno con una matita leggera cercando il più possibile di evitare che tutto l’insieme vibri. Si riporterà il contorno delle penombre, poi le ombre e, se ben delineate, le regioni facolari. 

Alla fine dei nostri sforzi otterremo qualcosa di questo tipo

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Naturalmente nessuno ci vieta di fare osservazioni più dettagliate incrementando il diametro dell’immagine solare:

Il celebre disegno di Richard Carrington che documenta il brillamento solare osservato il 1 settembre 1859 e che diede origine ad eccezionali eventi aurorali fino a basse latitudini. Carrington osservava col metodo della proiezione, il disco aveva un diametro di 11 pollici e veniva proiettato su una lstra di vetro dipinta di giallo. Si noti l'orientamento del disegno col nord in alto e l'ovest (P) a sinistra, corrispondente appunto a quello che si osserva col metodo adottato.

Il celebre disegno di Richard Carrington che documenta il brillamento solare osservato il 1 settembre 1859 e che diede origine ad eccezionali eventi aurorali fino a basse latitudini. Carrington osservava col metodo della proiezione, il disco solare aveva un diametro di 11 pollici e veniva proiettato su una lastra di vetro dipinta di giallo. Si noti l’orientamento del disegno col nord in alto e l’ovest (P) a sinistra, corrispondente appunto a quello che si ottiene in proiezione.

E’ consigliabile, anche se non strettamente necessario, usare una montatura equatoriale orientata al polo e dotata di moto orario, questo eviterà di dover continuamente riportare il Sole al centro del foglio muovendo tutto l’accrocchio e di dover fare i conti con l’angolo parallattico. Ma se non si hanno troppe pretese di precisione anche una montatura altazimutale con autotracking può andare bene purché non ci si metta troppo tempo a fare il disegno.

 

UN PASSO ULTERIORE

La maggior parte degli osservatori certamente si fermerà al disegno sul blank con la croce, o forse nemmeno a quello, limitandosi a osservare – quando ci sono – macchie e gruppi. Ma chi volesse dare un po’ più di valore aggiunto al proprio disegno potrebbe riportare sul disco l’orientamento del Sole “vero” e determinare la posizione di gruppi e macchie, particolarmente importante se si vuole fare dell’osservazione del Sole in luce bianca qualcosa di più di un mero passatempo.

L’orientamento del Sole cambia durante l’anno perché nel corso della nostra orbita lo osserviamo da visuali diverse. Questa GIF animata, tratta dall’ottimo sito web di Peter Meadows, mostra come varia l’aspetto del Sole sul piano di proiezione e rende il concetto meglio di tante parole:

sunyear

In particolare la direzione N-S celeste coincide col meridiano N-S del Sole solo in determinati istanti dell’anno in  gennaio e in luglio, altrimenti esiste uno scartamento angolare detto “angolo di posizione del polo nord (solare)” che arriva a oltre 25° sia a est che a ovest del meridiano celeste. L’angolo è positivo verso est e negativo verso ovest, è indicato con la lettera P nelle effemeridi solari e va riportato sul bordo del disco del disegno usando un goniometro:

Noto l'angolo P che si ricava dalle effemeridi fisiche del Sole, lo si riporta sul bordo del disco usando un goniometro. Nell'esempio qui sopra P è negativo e pertanto va contato da nord verso ovest usando la scala goniometrica inferiore.

Noto l’angolo P che si ricava dalle effemeridi fisiche del Sole, lo si riporta sul bordo del disco usando un goniometro. Nell’esempio qui sopra P è negativo e pertanto va contato da nord verso ovest usando la scala goniometrica inferiore.

In corrispondenza del valore dell’angolo si traccia una linea che attraversa il centro del disegno e rappresenta il meridiano vero del Sole, come si vede qui sotto:

3

dove la posizione del polo N “vero” è indicato con una P e non coincide per nulla con la linea che unisce i poli celesti del sistema di riferimento terrestre.

Ma non abbiamo ancora finito, perché non solo il Sole sembra “danzare” oscillando come un pendolo verso est e verso ovest durante l’anno, anche l’inclinazione apparente dei poli solari verso la Terra subisce una piccola variazione di qualche grado che nelle effemeridi è indicata col simbolo B0. Se vogliamo determinare con un minimo di precisione la posizione di gruppi e macchie, in particolare attribuendoli all’emisfero – nord o sud – corretto, dobbiamo tenere conto anche di questo. E qui entrano in scena i dischi di Stonyhurst, griglie da sovrapporre ai disegni effettuati per proiezione – ma anche per visione diretta – che riportano le linee di latitudine e longitudine del Sole:

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Ogni disco è disegnato per un certo valore intero di B0 che va da -7° a +7° (se ci si trova tra un grado e l’altro si sceglie il valore intero più vicino, ad esempio se B0 è 1.8° si prenderà il disco corrispondente a 2°, se è -4.3° si prenderà il disco di -4° e così via) e va sovrapposto al disegno in modo che il meridiano centrale tracciato sul disco di Stonyhurst coincida con quello che abbiamo disegnato in base al valore di P, vale a dire in questo modo:

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Ogni disco corrisponde a due valori di B0, positivo e negativo – cioé +1/-1, +2/-2, ecc. – e  il “lato” che intessa va posto dalla stessa parte del nord.

Come si può vedere dalla figura può esistere una discrepanza notevole tra la direzione N-S celeste e quella sul Sole, e non si può non tenerne conto: se ci fossimo basati sulle direzioni celesti, quelle corrispondenti alla croce sul blank, avremmo assegnato il gruppo a destra marcato col numero 14 all’emisfero nord del Sole, mentre invece il disco di Stonyhurts, una volta orientato correttamente, ci mostra che appartiene all’emisfero sud.

Gli osservatori solari un po’ attempati come il sottoscritto hanno fatto in tempo – temporibus illis – a procurarsi i famosi “acetati Vixen”, ormai introvabili, dischi di Stonyhurst da 100 mm stampati con grande precisione su carta lucida e forniti a corredo degli schermi di proiezione solare della Casa giapponese

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In alternativa i dischi si possono scaricare liberamente da questo sito e stampare del diametro voluto su carta fine, lucida o trasparente.

Per concludere segnalo che cercando sul web le parole “solar projection screen”, “solar projection box” e frasi simili, si troveranno molti progetti per farsi da sé uno schermo solare o le sue diverse varianti, come la cosiddetta “piramide di Hossefield”; bastano pochi materiali e un po’ di tempo libero, ma per chi preferisse un sistema già pronto il dispositivo Tecnosky, come il Vixen, è una valida alternativa.

 

SOFTWARE

Per agevolare l’orientamento del disco solare e più in generale per capire meglio come varia nel corso dell’anno esistono due software gratuiti che raccomando senza riserve, TiltingSun e Helio Viewer. Entrambi sono di uso semplice e intuitivo e tra le varie funzioni offerte permettono di importare disegni scansionati e immagini CCD a cui sovrapporre la griglia delle coordinate solari ed effettuare misure.

 

LETTURE CONSIGLIATE

Ci sono alcune letture che raccomando caldamente. How to observe the Sun safely, di Lee Macdonald (Springer) è un testo che non dovrebbe mancare nella biblioteca di ogni osservatore del Sole. C’è poi il bellissimo Solar Sketching, anch’esso edito da Springer, che contiene un intero capitolo dedicato alla proiezione ed è una lettura irrinunciabile per chi voglia dedicarsi al disegno in luce bianca e in luce monocromatica (H-alfa, Ca-H, Ca-K). Entrambi i testi sono disponibili anche nel formato Kindle di Amazon.

sketching bis

 

 

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