Celóstato del observatorio UCM

Descripción En el siglo XIX cuando no existían fuentes de luz artificial intensas como lámparas eléctricas o arcos voltaicos, era muy común utilizar la luz del sol en los experimentos de óptica. La forma más simple de obtener un haz de luz en un laboratorio consistía en colocar un espejo en el exterior, de manera que reflejara la luz del sol a la sala donde se realizaba el experimento. Si se dotaba al espejo de un movimiento de rotación adecuado se podía conseguir que la dirección del haz permaneciera constante durante varias horas, independientemente de la posición aparente del sol. En este caso tendríamos un heliostato.

Miguel Santander y Antonio Ugarte inspeccionando el celostato antes de su restauración.

Si añadimos un segundo espejo, regulable en altura y orientación, conseguimos un celostato. Este segundo espejo es importante porque la declinación del sol va variando a lo largo del año y por tanto la dirección del haz se proyectará a diferentes alturas. Con este segundo espejo podemos recoger la luz del primer espejo y enviarla a un instrumento astronómico, asegurándonos que la luz irá siempre al mismo sitio independientemente de la hora del día y de la época del año. Se podría definir un celostato, como un dispositivo óptico que contrarresta la rotación de la tierra recogiendo un área fija del firmamento, la cual puede ser proyectada a cualquier otro instrumento para su análisis. A partir de lo expuesto podemos diferenciar dos partes claves en el diseño del celostato: primario y secundario. Un celostato es un aparato consistente fundamentalmente en dos espejos, (uno de ellos dotado de un motor de seguimiento de periodo 48 h), cuya misión es enviar la luz del sol (o de una región de cielo) en una dirección fija donde se encuentra un telescopio que produce las imágenes. Este telescopio está fijo y puede disponer de un espectrógrafo de alta resolución para observar el espectro de Sol. El espejo primario y su montura tienen la misión de reflejar la luz en una dirección dada, al menos durante un día. El espejo secundario y su montura tienen la misión de recoger el haz del primario y mandarlo en una dirección fija (durante todo el año), donde podremos colocar otro instrumento astronómico que recoja la luz. El celostato de la UCM está instalado en la cúpula oeste de la facultad de Ciencias Físicas. La luz se enviará hacia la sala de control situada debajo, donde en principio un telescopio proyectará la imagen. En un futuro se piensa colocar un espectroheliógrafo con diversa instrumentación.

Configuración

Para establecer la configuración, es decir la posición de los espejos en la cúpula, debemos tener en cuenta varias cosas: Para determinadas épocas, principalmente en invierno, el secundario puede producir sombras en el primario. La excesiva altura de la pared de las cúpulas limitará el tiempo de observación diario. Las dimensiones de la cúpula limitan las configuraciones posibles.
El primario antes y después de dotarlo de un movimiento extra.	El eje sobre el que gira el espejo primario apunta a la polar. Con esto conseguimos que el espejo gire sobre un eje paralelo al eje terrestre, pudiendo contrarrestar así la rotación de la tierra. En un principio la superficie reflectora se mantiene en un plano que contiene a este eje, de manera que queda fijado el ángulo de elevación (sobre el horizonte) del haz que va hacia el secundario. Para entender esto debemos fijarnos en que en el solsticio de verano, cuando el sol alcanza las mayores alturas sobre el horizonte, nuestro espejo proyecta la trayectoria del sol en el cielo a las alturas que corresponderían al solsticio de invierno. En invierno, cuando el sol no se eleva mucho en el cielo, sucede lo contrario y el ángulo de elevación es bastante grande, forzando a subir el secundario a mucha altura. Como el ángulo con que llega la luz es menor que con el que sale, cuando primario, secundario y sol estén alineados el sistema de elevación del secundario y el propio secundario producirán sombras sobre el primario. Parte de este problema se soluciona dotando el espejo primario de un pequeño movimiento en declinación, es decir un movimiento de giro sobre un eje perpendicular al eje de giro principal. Girando el espejo adecuadamente conseguimos que, en invierno, el ángulo de elevación con que sale el haz del primario sea mucho más pequeño. Reducimos así la altura del secundario. Si dotamos del suficiente movimiento en declinación solucionamos completamente el problema de las sombras. Sin embargo esto no es sencillo debido a que se necesita cierta rigidez para sujetar el espejo. En nuestro caso utilizamos un aro sujeto al eje principal, con otro eje en su interior sujetando la celda con el espejo, que permite cierto movimiento en declinación pero no todo el que quisiéramos.
El secundario: Vistas superior e inferior.	El secundario debió ser modificado también para permitir enviar la luz del Sol a la sala inferior. Diseñamos un sistema periscópico que se puede ajustar en altura y que en su parte superior contiene la celda del secundario. Este sistema está dotado de movimiento en acimut y el secundario puede apuntar hacia abajo para pasar la luz a través de una perforación en la base giratoria. Por otra parte no podemos construir un celostato para observación del Sol cualquier día del año y a cualñquier hora ya que nos encontramos en el interior de una cúpula de paredes altas. En efecto, la altura de las cúpulas limita el tiempo de observación y existen ciertos intervalos de tiempo por la mañana (cuando el sol está saliendo) y por la tarde (cuando esta poniéndose) durante los cuales las paredes de la cúpula producirán sombra sobre el espejo primario. Podríamos solucionarlo aumentando la altura a la que se encuantra el primario. Esto no es muy aconsejable ya que entorpeceríamos el funcionamiento del telescopio principal, necesitaríamos elevar mucho el secundario y además haríamos muy inestable el primario. Lo único que se puede hacer es situar el primario en la posición más favorable para las horas en las que se va a hacer mayor uso del instrumento. En nuestro caso, dado que las prácticas de alumnos se realizan por la tarde, lo más conveniente es situar el primario al este del centro. También es bueno desalinear el secundario unos grados respecto al sur del primario. Esto disminuye un poco más la altura del secundario. También mejora el problema de las sombras aunque hay que tener en cuenta las trayectorias del sol para no empeorarlo. En nuestro caso y teniendo en cuenta lo que veremos más adelante decidimos desviarlo 20º al oeste.
	Finalmente aparece uno de los principales problemas en la construcción de este celostato es la cuestión del espacio en el interior de la cúpula. En efecto el espacio libre de las cúpulas es muy limitado, debiendo ocupar lo menos posible para no estorbar el movimiento de las personas y la utilización de los telescopios. Además la posición del pilar de soporte del telescopio limita aún mas la posición de los espejos. La dificultad reside en que no podemos alejar el secundario del primario la distancia suficiente como para que no haya sombras. Teniendo en cuenta los puntos anteriores decidimos colocar el primario al este del pilar del telescopio pero lo más próximo posible. El secundario lo más alejado posible hacia el sur del primario con una desviación de 20º hacia el oeste Como se ve en el esquema adjunto. Una vez colocado el celostato ha surgido el problema de la inestabilidad del primario debido a las características del suelo de la cúpula. Se ha diseñado un nuevo soporte que evita en gran parte este este problema.

Los detalles de estos estudios pueden verse en el trabajo académicamente dirigido realizado por Miguel Santander.