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                                                                  Semplici progetti per la spettroscopia

Ho recentemente letto che uno scienziato americano, parlando a proposito della spettrografia, ha definito la differenza tra l’indagine fotografica e CCD tradizionale e  spettrografica come quella che passa tra il giudicare il contenuto di un libro dalla sua copertina  e leggervi dentro .

Devo dire che tale lettura è entusiasmante, forse meno appagante per la vista di tante bellissime immagini di oggetti celesti, ma sicuramente più istruttiva.Basti solo pensare  che senza di essa  le immense costruzioni teoriche della cosmologia moderna , il “big bang”, l’espansione dell’universo, la teoria dell’inflazione, non sarebbero mai esistite ,e forse l’umanità  avrebbe perso una grande occasione di progresso.

Nonostante svolga la mia attività di astrofilo in molti settori, quali l’imaging digitale  con particolare riguardo alla ripresa della fotosfera solare in alta risoluzione, l’osservazione su libri e riviste di quelle strisce colorate intervallate da linee scure o chiare mi ha  da sempre tremendamente incuriosito.

Da piccolo,(avevo 8 anni quando leggevo i primi libri di astronomia) pensavo a quali complesse strumentazioni fossero necessarie per acquisire i deboli spettri di stelle lontane e   tale sentimento , un misto di invidia e curiosità, rimase dentro di me sino a qualche anno fa, quando un amico astrofilo mi regalò un reticolo di diffrazione da 600 l/mm, che, come sapevo, costituiva il cuore di ogni spettroscopio che si rispetti.

Allora assemblai, quasi per gioco, con tubi in pvc e ottiche di poco prezzo, uno spettroscopio da dilettante che, nonostante l’estetica orrenda, funzionava in modo più che accettabile, schiudendomi quella porta che per me era stata sempre chiusa e misteriosa.

Non solo usai per lungo tempo quello strumento, peraltro piuttosto ingombrante, ma ne derivai anche un saggio ospitato su un'altra rivista di astronomia.Da quell’esperienza , non c’è stato istante, nella mia passione di astrofilo che non mi abbia coinvolto con strumenti attinenti alla spettrografia: prismi, reticoli, fenditure, è stata un attenta ricerca di tutto ciò che ritenessi utile per tale uso.

E come le ciliegie, una tira l’altra, la costruzione di spettroscopi “fatti in casa” si è susseguita negli ultimi 5 anni, al punto che ora ne ho tre, ed un altro , ad alta risoluzione, in fase di progetto.Caratteristica  progettuale comune di tutti gli strumenti da me assemblati è stata l’assoluta modularità ed intercambiabilità delle  parti per così dire “accessorie”, anche se tali non sono, degli spettroscopi.

Come avrò modo di spiegare in dettaglio tra poco, gli stessi sono nati intorno ad un corpo centrale, cubico, di dimensioni variabili da 7 a 10 cm, di lato maggiore a 6 -7 di lato minore.Su tale corpo , che ospita il reticolo di diffrazione, cuore del sistema, sono stati ricavati due fori a 90° con filettatura passo a vite 42 x 1, per l’inserimento delle ottiche.Una soluzione del genere presenta il vantaggio di poter utilizzare il vastissimo parco ottiche di obiettivi russi,e, in più di poter applicare qualsivoglia ottica, a patto di farsi costruire un semplicissimo anello 42 X 1 che qualsiasi tornitore è in grado di fornire ad un prezzo esiguo.Perchè tutto ciò?, per far variare, fermo restando il reticolo, il potere risolutivo del sistema che è, come si può immaginare, dipende sia dalla focale delle ottiche impiegate come collimatore e visualizzatore, sia dal loro rapporto reciproco.Un’ottica collimatrice da 50 mm unita ad una visualizzatrice di 50 mm darà un rapporto di ingrandimento 1 a 1 dell’immagine della fenditura (e dello spettro) inviata al reticolo, mentre se quest’ultima è di 100 mm, il rapporto sarà di 2 ad 1 e vi sarà un  effettivo ingrandimento dell’immagine restituita dal reticolo, mentre in caso contrario vi sarà un rimpicciolimento.

Tale sistema può essere definito a risoluzione spettrale variabile, nel senso che il potere risolutivo in Angstrom  e quindi la possibilità di osservare linee spettrali sempre più fini dipende dalle ottiche impiegate.

Uno strumento del genere è non solo compatto ed efficiente, ma anche alla portata di chiunque abbia un minimo di capacità per l’autocostruzione.Certo, occorre comunque qualche compromesso, quale, ad esempio, il meccanismo di rotazione del reticolo intorno al proprio asse, concepito in modo spartano per evitare complicazioni costruttive ed il ricorso a difficili (e costosi) interventi di micromeccanica per la realizzazione di movimenti micrometrici, del resto comunque realizzabili nel caso se ne abbia la volontà e la possibilità.

Sia ben chiaro che lo strumento descritto, che andrò a delineare tra breve, si configura comunque come uno strumento a bassa risoluzione, per la corta focale delle ottiche, necessaria per garantire la portatilità e la facilità di impiego: non è comunque adatto per lavori di particolare sofisticazione, quali, ad esempio, la registrazione del cd. “effetto Zeeman” (spostamento delle righe spettrali del ferro negli spettri delle macchie solari per effetto del campo magnetico), per il quale occorrono risoluzioni elevatissime, e focali adeguate.Ciò non toglie che la parte centrale con un reticolo da 1200 l/mm potrà, ove accoppiato ad ottiche di lunga focale, essere utilizzato anche per tale tipo di indagine .

                                        Spettroscopio a fenditura per l’osservazione dello spettro solare

Inizierò a parlare dello spettroscopio a fenditura, il più semplice da costruire , adatto essenzialmente alla osservazione dello spettro solare, per i motivi che vedremo.

Innanzitutto il materiale: come procurarsi tutto ciò che serve  all’autocostruzione di un semplice spettroscopio e, principalmente , dove ed a che prezzo.L’elemento fondamentale è il reticolo, cui spetta il compito di diffrangere la luce nei suoi colori fondamentali , poi ci sono le ottiche, ed infine la fenditura.Personalmente ritengo che esistono due strade per procurarsi un buon reticolo: la prima è quella della ricerca nei mercatini  di apparecchi per uso medico o scientifico (tipo monocromatori e spettrometri di massa, ovvero di reticoli estratti da questi) .Personalmente ho reperito un paio di ottimi reticoli con questo sistema ad un prezzo irrisorio, ma diventa sempre più difficile trovare materiale del genere. Un’alternativa ai mercatini nostrani potrebbe essere quelli “on line”, tipo l’americana Surplus Shed (www. Surplushed.com).

In definitiva, tuttavia, conviene spendere qualcosa in più ma rivolgersi a Ditte specializzate nella produzione e vendita di materiale scientifico  come la francese Jeulin  (www.jeulin.fr) o le americane Edmund  (www.edsci.com) e Yobin-Yvon .Un reticolo da 1200 l/mm, di 30 mm. di lato costa all’incirca sui 100 $  ed ha una resa eccellente.Due dei miei spettroscopi , quelli dalle prestazioni migliori, si avvalgono di un reticolo Edmund da 1200 l/mm, “ blazed ” per 500 nm  (l’angolo di blaze, vale a dire l’angolo di incisione delle microscalanature del reticolo è di fondamentale importanza, in quanto serve a definire in quale punto dello spettro si concentrerà la maggior parte della luce diffratta).La scelta di un angolo di blaze di ca. 17° per 500 nm non è casuale, in quanto, essendo lo strumento che vogliamo costruire di tipo “generico”, non specializzato per una data banda spettrale, tale soluzione, che concentra la massima energia nella zona verde dello spettro è la più efficiente.Tengo a precisare, inoltre, che un reticolo da 1200 linee per mm, oltre ad avere un potere risolutivo spettrale superiore ad uno da 600 l/mm, presenta anche il vantaggio di minimizzare il fenomeno  della sovrapposizione degli spettri dei vari ordini, che tende a rendere meno incisa la visione delle righe.

Parliamo ora delle ottiche: qui il tema si preannuncia complesso, e cercherò di semplificarlo  : premetto, che lo strumento si configura a bassa risoluzione, e quindi non necessita di focali elevate, indispensabili invece allorquando si vogliono effettuare ricerche di particolare interesse sulle righe.Ci accontenteremo, viceversa, della osservazione delle righe principali su uno spettro di alcuni centimetri  e non di metri, anche perché spettroscopi di focali elevate, oltre  all’ingombro, richiedono montature molto stabili per un corretto inseguimento e visualizzazione dello spettro solare o stellare.Lo strumento di cui parliamo si misura nell’ordine di pochi centimetri e pesa pochi etti, si può portare dovunque, ed un semplice cavalletto fotografico può sostenerlo ed orientarlo, facendo a meno, nel caso del sole, di una montatura equatoriale . Inoltre si può, volendo, applicarlo al fuoco di un telescopio per la ripresa di spettri amplificati di determinate zone del sole (macchie solari o lembo) ovvero di oggetti deboli senza rendere problematico il bilanciamento del tubo ottico del telescopio e della montatura.E’ bene precisare che il puntamento verso il sole dello strumento applicato al telescopio, che deve necessariamente essere un rifrattore per evitare, nei catadiottrici o nei newton, seri problemi causati dall’impatto del calore sullo specchio secondario , va effettuato con un piccolo rifrattore ausiliario allineato col primo e munito di un filtro di sicurezza davanti all’obiettivo, sia in vetro che in mylar od astrosolar.

Con questa premessa, il reperimento delle ottiche diventa piuttosto semplice ed a buon mercato, in quanto la ricerca sul mercato dell’usato, sia per i mercatini reali che virtuali che abbondano in Internet diviene realmente appare realmente la migliore soluzione .La prima scelta che viene alla mente è quella di due ottiche di binocoli, di diametro proporzionato alla diagonale del reticolo di cui  si è in possesso.Se, ad esempio , il reticolo è quadrato di 30 mm di lato, con una diagonale di  38 mm ca., sarà sufficiente reperire un binocolo d’occasione 8 o 10 X 40 e togliere gli obiettivi o, ancora meglio, reperire direttamente i due obiettivi, che dovrebbero avere  una focale oscillante intorno ai  180/200mm .  Al limite, nel caso siano già disponibili, vanno bene anche diametri leggermente inferiori alla diagonale del reticolo, nel nostro esempio di 30/35 mm.Anche differenze nelle rispettive focali non hanno importanza.Un aspetto, invece, da non sottovalutare, è il tipo di strato antiriflesso delle ottiche, che spesso su alcuni binocoli di produzione russa è di un bel colore rosso magenta , segno di strati antiriflesso multipli, che però hanno, in alcuni casi, lo svantaggio di filtrare una parte dello spettro incidente, a chi scrive è capitato di montare un obiettivo fotografico russo che …non faceva passare quasi per nulla il rosso ed era quindi inutilizzabile per l’uso spettrografico.

Una seconda opportunità è data dall’uso di obiettivi fotografici di corta focale  (70/200 mm), obiettivi da ingranditore ovvero obiettivi surplus di fotocopiatrici.Questi ultimi hanno l’innegabile vantaggio di avere un campo piano e di costare cifre esigue in rapporto alla qualità.Ripeto, la focale di queste ottiche, la cui funzione è quella di collimatore sul reticolo del fascio ottico proveniente dalla fenditura e di visualizzatore del fascio diffratto all’infinito in uscita dal reticolo, dovrà essere compresa, per i motivi di portatilità cui ho accennato, tra 70 mm e 300 mm di focale. La focale delle ottiche non costituisce di per sè un elemento critico : usare ottiche più lunghe è possibile, ma al prezzo di un ingombro crescente in misura proporzionale alla focale delle ottiche utilizzate.Si tenga, tuttavia , presente che ad una focale maggiore corrisponde, a parità di dimensioni del reticolo, anche un maggior sfruttamento del potere risolutivo del reticolo ed una migliore osservabilità delle righe.

Il terzo elemento, non meno importante degli altri, è dato dalla fenditura. Una fenditura professionale, lavorata a tolleranze ottiche costa cifre notevoli, ma per un uso amatoriale vanno altrettanto bene  fenditure improvvisate, come, ad esempio, due lame di temperamatite la cui parte affilata sia posta a distanze da 1 a 3/ 10 mm ca, a seconda delle ottiche utilizzate, lame da taglierino, lamette da barba  etc.Io personalmente preferisco le lame da temperamatite più facili da usare e da fissare su di un supporto.Sarebbe opportuno che tale delicato elemento fosse annerito, ma, esclusa la verniciatura che altererebbe la linearità delle lame e creerebbe artefatti nella visione dello spettro, l’unica alternativa è la brunitura, ovvero l’uso di prodotti spray per la brunitura delle armi da fuoco, da usare con attenzione, ma perfetti allo scopo.

Una volta reperito il materiale occorrente è necessario un progetto di massima dello spettroscopio, che ricalcherà la struttura cui si è accennato e mostrata nella pagina "strumenti per la spettroscopia".Una volta elaborato il progetto, occorrerà per prima cosa individuare il materiale con il quale realizzare la parte centrale, ovvero la “cassa” che ospita il reticolo ed il suo sistema di oscillazione sul proprio asse.Quest’ultima potrà essere  assemblata con lastrine di PVC da 10 mm di spessore opportunamente tagliate in modo da formare approssimativamente un cubo su due delle cui facce, a 90° l’una dall’altra, praticare dei fori filettati D 42 mm, passo 1 (il famoso innesto 42x1) .Le lastrine che compongono il cubo vanno assemblate con viti autofilettanti, come nell’esemplare indicato in fig….Una scelta migliore, ma che comporta un più difficile reperimento del relativo materiale è quella di utilizzare un quadratino di alluminio tagliato da una barra ,di dimensioni 6 x 6 o 8 x 8 cm, in modo da sfruttare le facce del quadratino per i fori filettati, chiudendo poi i lati con due lastrine di alluminio od anche di PVC.Le casse dei miei spettroscopi solari a fenditura sono state appunto realizzate in tal modo .

Passando al progetto, si osserva subito che i parametri fondamentali sono dati dalle focali delle ottiche utilizzate, e dal tipo di reticolo. In proposito, riporto, a titolo di esempio , quello adottato per la costruzione del mio spettroscopio solare, realizzato con  un reticolo Edmund , quadrato, da 25 mm di lato “blazed” per 500 nm. con un angolo di blaze di 17° e con due ottiche di surplus : una da 280 mm ca e 38 mm di diametro,  usata come collimatore della fenditura, e l’altra da 40 mm di D e 150 mm di focale, originariamente ottica di fotocopiatrice, utilizzata quale cannocchiale del fascio ottico in uscita dal reticolo.

Innanzitutto un’annotazione: l’angolo per così dire “classico” tra il fascio luminoso in intercettato dal reticolo e quello in uscita, normale all’asse ottico dell’obiettivo da osservazione e da ripresa si aggira sui 38/40° per l’ordine 1.Una breve parentesi: l’ordine dello spettro è dato, con definizione impropria (i puristi non me ne abbiano) ma spero comprensibile, dai diversi piani di riflessione (o trasmissione) della luce diffratta in uscita dal reticolo, ciascuno dei quali ha una diversa energia ed intensità luminosa: cerco di spiegarmi meglio: se si prende un normale lucido da proiezione, si disegnano sopra numerose righe con un pennarello nero poste a circa  1mm di distanza , e poi lo si pone davanti all’obiettivo di un telescopio , una volta puntato questo verso una stella luminosa si potrà osservare al centro l’immagine normale della stella e, ai lati dei piccoli spettri di intensità luminosa decrescente verso l’esterno .Gli spettri  collocati sinistra sono quelli dell’ordine -1, -2, -3… etc, e quelli collocati a destra, andando sempre dal centro verso l’esterno, sono quelli dell’ordine +1, +2, +3…etc, come nell’esempio dello spettro di Arturo ottenuto con un reticolo anteposto all’obiettivo (fig 3).La stessa esperienza (forse meno interessante, ma più rapida) si puo effettuare tenendo in mano un reticolo a riflessione e, una volta puntata una sorgente luminosa, facendolo ruotare alternativamente verso il basso  e verso l’alto  tenendo, come è ovvio in asse la sorgente stessa.Gli ordini positivi sono sempre più luminosi, in complesso, di quelli negativi.Ora, tornando al nostro spettroscopio, si preferisce un angolo di ca. 38° per intercettare lo spettro di ordine 1, notoriamente il più luminoso.Tale scelta può, a mio avviso, considerarsi ottimale per la spettrografia stellare con fenditura o non, dove la luce in arrivo è veramente poca., per il sole, invece, perlomeno con focali non critiche, non mi sento di condividerla, in relazione al fatto che lo spettro di ordine 1, oltre che più luminoso, è anche il più concentrato, e presenta quindi una dispersione notevolmente inferiore a quello di ordine 2.Nel prospetto che segue, redatto da uno dei più conosciuti costruttori di spettrografi e spettroeliografi a livello amatoriale, Frederick Veio, è riportata la dispersione lineare in Angstrom, per i vari tipi di reticolo e per le lunghezze d’onda di 3934 e 6563 A (Ca e Ha):

grooves/mm, order    focal length         3934A violet     6563A red       spectrum length

600 gr/mm, 1st          1.8 meters          9.0A/mm          8.9A/mm          0.5 meter

                                 2.1                     7.8                   7.7

                                 2.4                     6.8                   6.7

                                 2.7                     6.0                   6.0

                   2nd        1.8                     4.5                   4.4                   1.0 meter

                                 2.1                     3.8                   3.6

                                 2.4                     3.3                   3.1

                                 2.7                     3.0                   2.8

                    4th        1.8                      2.0                  1.4                   2.0 meters

                                 2.1                      1.7                  1.2

                                 2.4                      1.5                  1.1

                                 2.7                      1.3                  1.0

1200 gr/mm, 1st        1.8                      4.4                  4.2                    1.0 meter

                                 2.1                      3.8                  3.6

                                 2.4                      3.3                  3.1

                                 2.7                      3.0                  2.8

                     2nd      1.8                      2.0                  1.4                    2.5 meters

                                 2.1                      1.7                  1.2

                                 2.4                      1.5                  1.1

                                 2.7                      1.3                  1.0

1800 gr/mm, 1st        1.8                      2.8                  2.5                    1.5 meters

                                 2.1                      2.4                  2.1

                                 2.4                      2.1                  1.9

                                 2.7                      1.9                  1.6

Dall’esame di tale prospetto si nota come la lunghezza dello spettro di un reticolo da 1200 l/mm nell’ordine 2 è 2,5 volte maggiore di quella nell’ordine 1, e la dispersione lineare  viene incrementata  di circa 3 volte.Per quanto riguarda il potere risolutivo,inteso quale capacità di visualizzare come distinte due righe dello spettro contigue, esso è determinabile con la formula:

Pr = Lo / Gr x Lmm x O

Dove :

Pr è   il potere risolutivo

Lo     la lunghezza d’onda in A

Gr      la grandezza del reticolo  (il lato in caso di reticolo quadrato)

Lmm  il numero di linee per mm.

O       l’ordine dello spettro

Nel caso di un reticolo da 1200  l/mm di 25 mm di lato, alla lunghezze d’onda di 3934 e 6563 Angstrom si ha la situazione che segue:

Ordine                  Lunghezza d’onda                    Potere risolutivo

     1                               3934                                       0,065

     1                               6563                                       0,11

     2                               3934                                       0,033

     2                               6563                                       0,054

Il potere risolutivo teorico nell’ordine 2 ( ma attenzione, occorre tener conto della focale impiegata) è quindi doppio rispetto a quello dell’ordine 1 nella gamma spettrale che va dal violetto all’infrarosso.Inoltre, il fatto che il reticolo abbia un angolo di blaze ottimizzato per 5000 A rende lo spettro dell’ordine 2 sufficientemente luminoso.

Ho quindi preferito, nella costruzione del mio spettrografo a fenditura, indagare tale ordine, privilegiando, inoltre , un angolo di diffrazione che non fosse penalizzante dal punto di vista costruttivo e che non obbligasse a contorsioni per l’osservazione o la ripresa.Tale angolo, di circa 90°, è potenzialmente produttivo di qualche piccolo problema di vignettatura dell’immagine, tuttavia assolutamente trascurabile, e ampiamente ripagato dai vantaggi, non ultimo quello di non dover ricorrere a distanze critiche di chiusura della fenditura per compensare l’intenso flusso luminoso.

Sul piano teorico, l’angolo totale di diffrazione  D è dato dalla somma dell’angolo di incidenza  d1 e quello di diffrazione vero e proprio, rispetto all’asse del reticolo.

Risulta quindi :

D = d1 + d2 

Il valore dell’angolo di diffrazione ai vari ordini è dato da:

d2 = arcoseno  ( K x N x L – seno d1)

dove    K = valore dell’ordine

           N  = N° di tratti per millimetro del reticolo

           L  = valore della lunghezza d’onda della luce nella banda spettrale considerata.

Nel nostro caso  quindi, considerando l’ordine 2 ed un reticolo da 1200 l/mm blazed per 500 nm e la lunghezza d’onda della luce pari all’angolo di blaze di 500 nm , di 0,50x 10^ -3 risulta:

d2 = arcoseno ( 2 x 1200 x 0,50 x 10^ - 3 – seno 17°) =  arcoseno (1,20 – 0,29) = 65,5°

L’angolo totale di diffrazione totale D sarebbe quindi pari a  65,5 + 17 = 82,5

Che non è esattamente pari a 90°, ma vi si approssima e può essere forzato a tale valore, significando che il sistema soffrirà di un minimo di vignettatura, comunque, come dicevo, compensata dai vantaggi ottenuti sul piano della maggiore dispersione dello spettro e della comodità di assemblaggio e di uso.

Nel progetto generale dello strumento da me assemblato , sono visibili i tre componenti principali dello stesso: la parte centrale con il reticolo ed i due attacchi 42x1 per l’ottica del collimatore, che termina con la fenditura, e  per quella del cannocchiale, terminante con l’oculare.

L’ottica del collimatore è stata assemblata utilizzando tubi di prolunga passo a vite 42 x 1 al cui interno è stata alloggiata, come si è detto, a pressione,  un doppietto acromatico di 38 mm di diametro e f 280 mm di focale di ottima qualità. Tale componente si configura in pratica come un cannocchiale rovesciato, collegato al corpo principale dalla parte della lente, mentre dall’altra reca la fenditura che, è bene dirlo, deve risultare perfettamente a fuoco traguardando dalla parte della lente.Una fenditura posta fuori fuoco fa sì che le linee risultino sfuocate e impastate, anche  col miglior reticolo esistente.Nel caso la luce di ingresso dalla fenditura, che , ove di tipo “fatta in casa” non è regolabile, sia eccessiva, è bene porre a monte di questa un filtro neutro ND di numero adeguato.

Come cannocchiale è stato invece utilizzato un’ottica di fotocopiatrice di 40 mm di diametro e  150 di focale, alloggiata in un barilotto di PVC al cui interno , per assicurare un minimo di messa a fuoco,  ne scorre un altro terminante con una filettatura maschio 42 x 0,75, per l’applicazione di eventuali corpi macchina al dispositivo.

Per quanto riguarda il corpo centrale col reticolo, è stato ricavato, come si è detto, da un quadratino di alluminio da 60 mm di lato, tagliato da una barra , forato e filettato su due delle facce, mentre le restanti due, aperte, sono state chiuse con due “tappi” anch’essi di alluminio.

Ai fini della visibilità delle righe è critica la posizione del reticolo che deve , rispettando l’angolo totale di 90° tra fascio ottico collimato in ingresso del reticolo e quello di uscita dallo stesso,  tener conto dell’ angolo di blaze di 17° e dell’angolo di incidenza “forzato” di 73° rispetto all’asse dello stesso, come illustrato in fig 2.Il centro del reticolo va, inoltre, posizionato in asse con il centro dei fori esistenti sulla scatola.Tale posizionamento può essere agevolato da dischetti di cartone nero con fori centrali da un mm posti in tubi di prolunga 42 x 1 inseriti sulla scatola, o con un laserino di quelli cinesi da pochi euro (attenti comunque agli occhi) opportunamente centrato in uno dei tubi di prolunga.Inoltre, aspetto non trascurabile, il reticolo va montato con le righe di incisione parallele alla base della scatola (nel caso si abbiano difficoltà ad individuare il giusto verso, basta traguardare una sorgente luminosa come una lampadina, ed in corrispondenza dell’esatta posizione si osserverà una intensa striscia di luce multicolore, cangiante con il basculamento del reticolo). Un montaggio nel senso errato vuol dire non riuscire ad osservare nulla.Anche la fenditura va montata parallela alle righe di incisione del reticolo e quindi alla base della scatola.

Un discorso a parte merita il dispositivo di basculamento del reticolo, indispensabile per esplorare le varie bande spettrali dal violetto al blu, dal verde al rosso, etc..Un dispositivo di movimentazione preciso, con accoppiamento ruota dentata – vite senza fine e relativa demoltiplica sarebbe stato costoso e difficile da applicare ad uno spettroscopio semplice e di ridotte dimensioni quale quello da me ideato: ho ritenuto quindi di ripiegare su un tipo di movimento meccanico di grande semplicità, anche se impreciso: una molla che preme tra la base del pomello solidale all’asse del reticolo (una semplice barra filettata da 4 mm) che ne permette la rotazione , ed il lato della cassa, con in mezzo una guarnizione di gomma dura per aumentare ulteriormente l’attrito su quest’ultimo.Tale primitivo sistema funziona egregiamente, nei limiti richiesti dalla bassa risoluzione dello spettroscopio.

Tutto quanto ho detto può sembrare complicato, ma in realtà è più facile di quanto si immagini, e lo strumento realizzato, interamente visibile in fig 4, è tale da dare enormi soddisfazioni: la radiazione solare si scompone nei suoi componenti in un tripudio di colori, con le righe di assorbimento di ciascun elemento incise da sembrare tagliate con il coltello.

Parlando di costi, riporto la mia esperienza, che potrà essere confermata o smentita a seconda del grado di sofisticazione del dispositivo che si vuole realizzare, e della eventuale  disponibilità dei componenti e che è quindi puramente indicativa.

Reticolo……………… Euro   120

Cassa…………………  “         30

Ottica di collimazione…. “         10

Ottica per cannocchiale     “       10

Tubi di prolunga 42 x1…...”       20       

Varie…………………….. “       10

Totale………………….Euro    200

Un totale di 200 euro equivale al prezzo di un oculare di buona qualità, ma è anche, in questo caso, il passaporto per un mondo nuovo, per una nuova dimensione dell’astronomia, per carpire i segreti del sole e delle stelle.

Una volta fatto il primo passo , quello più importante, la costruzione dello spettroscopio, viene la seconda fase, quella del puntamento verso il sole e l’osservazione delle righe, che si ottiene focheggiando l’oculare del cannocchiale.La fase di puntamento verso il sole necessita sempre delle opportune cautele, tenendo anche conto che nell’ordine 0, corrispondente ad una posizione di circa 90° del reticolo,quest’ultimo si comporta come uno specchio e riflette tutta la luce in arrivo dalla fenditura, e non solo una banda spettrale.Occorre quindi attenzione, anche se, con una fenditura chiusa a 1-2/10 di mm il rischio per gli occhi è attenuato.Personalmente consiglierei di contrassegnare sulla scatola la posizione corrispondente all’ordine 0, in modo da non lasciare il reticolo in tale posizione.

Una volta osservate le righe di assorbimento viene il problema principale, come individuarle, ed associarle ai vari elementi.A tale proposito, occorre dire che fortunatamente nel web c’è sovrabbondanza di materiale concernente la spettrografia, ed alcuni database con le principali righe specie su siti francesi , inglesi ed americani.Ma anche tale ricerca fa parte del gioco, ed è affascinante, una volta osservato, od addirittura ripreso lo spettro solare con una webcam o digicam, scoprire il significato di ciascuna riga individuata.

                             Spettroscopio multifunzione per uso solare e stellare con lente cilindrica

La principale difficoltà che si incontra nella spettrografia stellare, come ben sanno i professionisti, è quella di mantenere su una fenditura di pochi micron l’immagine puntiforme della stella osservata.Ciò spiega facilmente perché la spettrografia stellare non è alla portata degli amatori, a meno che non ci si accontenti di riprendere l’immagine della stella direttamente sul reticolo, eliminando la fenditura.Tale approccio confida sul fatto che comunque il disco stellare è di dimensioni così ridotte da generare, magari fermando il moto orario durante la ripresa, una linea spettrale continua nel cui ambito individuare le righe principali.

 Dopo l’inizio con la spettrografia solare ho cercato di espandere il mio interesse a quella stellare, ma al fuoco dello spettroscopio precedentemente descritto, privo di fenditura, le righe dello spettro erano a mala pena visibili, impastate e difficilmente distinguibili.Allora ho provato alcuni sistemi alternativi, alcuni dei quali anche originali e di costo praticamente nullo, quale quello di porre anteriormente all’obiettivo del telescopio una griglia rompifiamma, reperibile ai supermarket per due o tre euro, usandola come un reticolo.L’immagine dello spettro risultante era tuttavia di pessima qualità, e l’esperimento si configurava esclusivamente come un esercizio teorico, di dubbia applicazione pratica .

Inoltre, era mia intenzione cercare di riunire nel medesimo strumento capacità di osservazione e ripresa sia di spettri solari che stellari creando un dispositivo compatto ed ambivalente  da poter essere applicato al fuoco di un telescopio, a somiglianza di quanto avviene con gli spettrografi professionali, senza le dimensioni fuori misura di questi ultimi , difficilmente digeribili da parte di tubi ottici e montature amatoriali.La ricerca sul web, su siti francesi, inglesi e statunitensi, mi aveva infatti mostrato in genere spettrografi amatoriali di dimensioni generose su montature a mio avviso inadeguate.

Il problema era di ottenere ,per la spettrografia stellare,spettri allungati senza l’uso della fenditura od il ricorso ad espedienti quali il fermo del moto orario per ottenere “strisciate” di spettri.Mi ricordai, allora, di aver visto su un monocromatore una lente cilindrica posta dopo la fenditura di uscita, evidentemente allo scopo di intensificare l’immagine spettrale, e ricordai anche che tali lenti hanno la prerogativa di trasformare, al fuoco, qualsiasi punto luminoso ,e quindi, anche le immagini stellari provenienti da un telescopio, in una linea.Detto fatto, consultai il catalogo Edmund , vedendo che erano disponibili lenti cilindriche di media qualità ottica da 25 mm e 75 o 50 mm di focale ad un prezzo contenuto.Optai per quella da 75 mm, in modo da darmi un po’ di spazio sino al reticolo, dato che avrebbe dovuto svolgere contemporaneamente la duplice funzione di collimatore e di fenditura.Una volta in possesso della lente la montai, in un tubo di prolunga maschio 42x 1, a circa 50 mm dal foro di ingresso (femmina 42 x1) di una scatola in PVC nero, assemblata col sistema dianzi descritto, e recante all’interno un reticolo Edmund da 1200 l/mm blazed, come al solito, per 500 nm., quadrato, di 30 mm di lato.Come cannocchiale mi parve opportuno usare un obiettivo da ingranditore fotografico Kodak da 75 mm, della stessa focale, per garantire un ingrandimento 1:1 e quindi una luminosità accettabile del sistema per gli spettri stellari, considerato che anche questa volta avrei usato l’ordine 2, allo scopo di creare un dispositivo sia polivalente che portatile , concettualmente analogo al progetto di fig 1, ed illustrato in fig.7.

La prima parte del lavoro sembrava quindi completata,con una variante tutto sommato modesta del progetto iniziale e con un sistema che si presentava  con tutte le carte in regola per l’osservazione di spettri delle stelle, data la bassa intensità luminosa e la puntiformità delle relative immagini.Con il sole, tuttavia, la questione sarebbe stata ben diversa, data l’estensione e luminosità del fascio luminoso in arrivo sulla lente cilindrica.Occorreva quindi far diventare puntiforme la luce solare : quale metodo migliore, allora, di un foro stenopeico posto all’ingresso di un telescopio, in modo da sfruttarne, se non il potere risolutivo, data la ridottissima dimensione della pupilla di entrata, perlomeno la lunghezza focale .Il mio primo esperimento con tale spettroscopio, che tra l’altro non mi risulta sinora realizzato in ambito amatoriale, fu quindi di applicare il predetto al fuoco di uno Schmidt – Cassegrain da 20 cm, ponendo contemporaneamente davanti alla lastra correttrice una maschera di cartone nero sulla quale era stato applicato, fuori asse, un tondo di alluminio per alimenti con al centro un foro stenopeico di 2/3 di mm.Il metodo di realizzazione del suddetto foro è stato il seguente: ho preso un foglio di alluminio per alimenti e ne ho tagliato un tondo di 5 cm di diametro circa, inserendolo tra due cartoncini per impedirne l’accartocciamento, dopodiché ho forato il tutto con la punta di un ago da cucito, inserendola sino a metà e dando una torsione in un senso e nell’altro per assicurare la necessaria rotondità ed uniformità del foro stesso.Il foro sul pezzo di alluminio è stato quindi posto in corrispondenza di un analogo foro effettuato fuori asse sulla maschera di cartone nero da apporre davanti alla lastra correttrice, appena più grande del primo (ca. 2 mm) ,e ciò per motivi di sicurezza, dato che così anche un’eventuale scollamento e caduta del tondo di alluminio durante l’osservazione non avrebbe potuto comunque creare pericoli per lo strumento e la vista dell’osservatore.

Una volta puntato il telescopio verso il sole e regolata la messa a fuoco, sia con il focheggiatore del telescopio stesso che con  quello dell’obiettivo da 75 mm (cui era stato applicato un riduttore da 31,8 con un oculare, le righe di assorbimento mi sono apparse con una incisione sinceramente mai vista prima, cosa che mi ha indotto a registrare l’osservazione con una webcam Philips Vesta, posta sullo spettroscopio in luogo dell’oculare. Il risultato è visibile nella sezione "strumenti", con un collage di più riprese nelle diverse bande spettrali che mostra le principali righe di assorbimento (Ha, Na, Mg, etc).

La prova dello strumento non era, tuttavia, ancora terminata, anzi: la parte più difficile, la ripresa degli spettri stellari era ancora al di là da venire.Volli provare allora anche tale ripresa, avvalendomi di una camera CCD MX716 (per la scarsa  luce delle stelle le webcam sono inutili) applicata sullo spettroscopio, a sua volta posto al fuoco dello Schmidt – Cassegrain con riduttore ad f 3,3 per massimizzare la quantità di luce in arrivo .La prima ripresa, con 15 sec. di esposizione, su Schedar, Alfa Cassiopea, non mostrò nulla in quanto chiaramente sottoesposta,  la seconda, con 30 sec. di esposizione, mostrò in modo abbastanza definito le righe di assorbimento nella zona verde- arancio dello spettro .Per osservare la parte rossa dovetti comunque far basculare in avanti il reticolo e spostare la messa a fuoco della camera, in quanto l’uso di ottiche a lente provoca, come si sa, un sostanzioso shifting nel punto di fuoco nelle varie zone dello spettro.

Da quel momento ho effettuato altre prove e miglioramenti di questa idea (vedi CLAUS)  che hanno confermato la validità di un simile dispositivo per l’osservazione e la ripresa spettrale ,nonchè la sua qualità, a mio parere nettamente superiore a quelli simili autocostruiti da altri astrofili,  e ciò nonostante lo schema non strettamente canonico .

                                                                   Progetti di maggiore complessità

Per i progetti di maggiore complessità si può far riferimento alla pagina "Strumenti per la spettroscopia"," , particolarmente per quelli concernenti l'idea dello spettroscopio a lente cilindrica da me sviluppatoto recentemente ed evolutasi nel progetto "C.L.A.U.S."