El círculo de meridianos es un instrumento para cronometrar el paso de las estrellas a través del meridiano local , evento conocido como culminación , mientras que al mismo tiempo mide su distancia angular desde el nadir . Estos son telescopios de propósito especial montados de manera que permiten apuntar sólo en el meridiano , el gran círculo a través del punto norte del horizonte, el polo norte celeste , el cenit , el punto sur del horizonte, el polo sur celeste y el nadir. . Los telescopios Meridian dependen de la rotación del cielo para traer objetos a su campo de visión y están montados en un eje horizontal fijo de este a oeste.
El instrumento de tránsito similar , el círculo de tránsito o el telescopio de tránsito también están montados sobre un eje horizontal, pero no es necesario que el eje esté fijo en la dirección este-oeste. Por ejemplo, el teodolito de un topógrafo puede funcionar como instrumento de tránsito si su telescopio es capaz de realizar una revolución completa alrededor del eje horizontal. Los círculos de meridianos suelen recibir estos nombres, aunque son menos específicos.
Durante muchos años, los tiempos de tránsito fueron el método más preciso para medir las posiciones de los cuerpos celestes, y se confiaba en instrumentos de meridianos para realizar este minucioso trabajo. Antes de la espectroscopia , la fotografía y la perfección de los telescopios reflectores , la medición de posiciones (y la derivación de órbitas y constantes astronómicas ) era el trabajo principal de los observatorios . [1] [2] [3]
Fijar un telescopio para que se mueva únicamente en el meridiano tiene ventajas en los trabajos de alta precisión para los que se emplean estos instrumentos:
Aquí se describe el estado del arte de los instrumentos meridianos de finales del siglo XIX y principios del XX, dando una idea de los métodos precisos de construcción, operación y ajuste empleados. [4] [5]
El primer telescopio de tránsito no estaba colocado en el medio del eje, sino más cerca de un extremo, para evitar que el eje se doblara bajo el peso del telescopio. Más tarde, generalmente se colocaba en el centro del eje, que consistía en una pieza de latón o metal con pivotes cilíndricos de acero torneados en cada extremo. Varios instrumentos estaban fabricados enteramente de acero , que era mucho más rígido que el latón. Los pivotes descansaban sobre soportes en forma de V , ya sea colocados en enormes pilares de piedra o ladrillo que sostenían el instrumento, o sujetos a estructuras metálicas en la parte superior de los pilares. [6] La temperatura del instrumento y la atmósfera local fueron monitoreadas mediante termómetros. [7] Los pilares generalmente estaban separados de los cimientos del edificio, para evitar la transmisión de vibraciones desde el edificio al telescopio. Para aliviar los pivotes del peso del instrumento, que habría deformado su forma y provocado un rápido desgaste, cada extremo del eje estaba sostenido por un gancho o yugo con rodillos de fricción, suspendidos de una palanca sostenida por el muelle, contrapesada de manera que para dejar sólo una pequeña fracción del peso sobre los rodamientos de precisión en forma de V. [6] En algunos casos, el contrapeso empujaba los rodamientos desde abajo hacia arriba. [8] Los cojinetes se colocaron casi en una verdadera línea este-oeste, pero fue posible un ajuste fino mediante tornillos horizontales y verticales. Se utilizó un nivel de burbuja para controlar cualquier inclinación del eje hacia el horizonte. La excentricidad (una condición descentrada) u otras irregularidades de los pivotes del eje del telescopio se solucionaron, en algunos casos, proporcionando otro telescopio a través del propio eje. Al observar el movimiento de una estrella artificial, ubicada al este u oeste del centro del instrumento principal, y vista a través de este telescopio de eje y un pequeño telescopio colimador, a medida que el telescopio principal giraba, la forma de los pivotes y cualquier oscilación de el eje, podría ser determinado. [9]
Cerca de cada extremo del eje, unido al eje y girando con él, había un círculo o rueda para medir el ángulo del telescopio con respecto al cenit o al horizonte. Generalmente de 1 a 3 pies o más de diámetro, se dividía en 2 o 5 minutos de arco , en una tira de plata colocada en la cara del círculo cerca de la circunferencia. Estas graduaciones se leían mediante microscopios , generalmente cuatro para cada círculo, montados en los pilares o en un marco que rodeaba el eje, a intervalos de 90° alrededor de los círculos. Al promediar las cuatro lecturas, se redujeron considerablemente la excentricidad (por un centrado incorrecto de los círculos) y los errores de graduación. Cada microscopio estaba equipado con un tornillo micrométrico , que movía una cruz , con la que se podía medir la distancia de las graduaciones circulares desde el centro del campo de visión. El tambor del tornillo se dividió para medir segundos individuales de arco (se estima 0,1"), mientras que el número de revoluciones se contó mediante una escala similar a un peine en el campo de visión. A los microscopios se les dio tal aumento y se colocaron a tal distancia. del círculo que una revolución del tornillo micrométrico correspondía a 1 minuto de arco (1') en el círculo. El error se determinó ocasionalmente midiendo intervalos estándar de 2' o 5' en el círculo. [10] En algunos instrumentos, uno de los círculos estaba graduado y se leía de manera más aproximada que el otro, y se usaba solo para encontrar las estrellas objetivo.
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El telescopio constaba de dos tubos atornillados al cubo central del eje. Los tubos generalmente eran cónicos y lo más rígidos posible para ayudar a prevenir la flexión . La conexión con el eje también fue lo más firme posible, ya que la flexión del tubo afectaría las declinaciones deducidas de las observaciones. La flexión en la posición horizontal del tubo fue determinada por dos colimadores , telescopios colocados horizontalmente en el meridiano, al norte y al sur del círculo de tránsito, con sus lentes objetivo hacia él. Estos se apuntaban entre sí (a través de agujeros en el tubo del telescopio, o quitando el telescopio de su montura) de modo que las miras de sus focos coincidieran. [11] Los colimadores a menudo estaban montados permanentemente en estas posiciones, con sus objetivos y oculares fijados en pilares separados. [12] El telescopio meridiano apuntó a un colimador y luego al otro, moviéndose exactamente 180°, y al leer el círculo se encontró la cantidad de flexión (la cantidad que las lecturas diferían de 180°). La flexión absoluta, es decir, una curvatura fija en el tubo, se detectó disponiendo que el ocular y el objetivo pudieran intercambiarse, y el promedio de las dos observaciones de la misma estrella estaba libre de este error.
Partes del aparato, incluidos los círculos, pivotes y cojinetes, a veces se encerraban en vitrinas para protegerlos del polvo. Estos casos tenían aperturas de acceso. Los microscopios de lectura se extendieron luego dentro de las vitrinas, mientras que los extremos de los oculares y los micrómetros estaban protegidos del polvo mediante fundas de seda removibles. [13]
Ciertos errores instrumentales podrían compensarse invirtiendo el telescopio sobre su soporte. Se preparó un carro que circulaba sobre raíles entre los pilares, sobre el cual se podía levantar el eje, los círculos y el telescopio mediante un gato de tornillo, sacarlo de entre los pilares, girarlo 180°, girarlo hacia atrás y bajarlo de nuevo. [11]
El edificio de observación que albergaba el círculo meridiano no tenía una cúpula giratoria, como suele verse en los observatorios. Dado que el telescopio observaba sólo en el meridiano, todo lo que se necesitaba era una ranura vertical en las paredes norte y sur, y a través del techo entre ellas. El edificio no tenía calefacción y se mantuvo lo más posible a la temperatura del aire exterior, para evitar corrientes de aire que perturbarían la visión telescópica. El edificio también albergaba relojes, grabadoras y otros equipos para realizar observaciones.
En el plano focal , el extremo del ojo del telescopio tenía varios cables verticales y uno o dos cables horizontales ( retículas ). Al observar estrellas, el telescopio primero se dirigía hacia abajo, hacia una cuenca de mercurio [14], formando un espejo perfectamente horizontal y reflejando una imagen de la mira hacia arriba por el tubo del telescopio. La mira se ajustó hasta que coincidiera con su reflejo, y la línea de visión quedó entonces perfectamente vertical; en esta posición los círculos se leyeron en busca del punto nadir .
A continuación, se llevó el telescopio a la declinación aproximada de la estrella objetivo observando el círculo del buscador. El instrumento estaba provisto de un aparato de sujeción mediante el cual el observador, después de haber fijado la declinación aproximada, podía sujetar el eje de modo que el telescopio no pudiera moverse en declinación, excepto muy lentamente mediante un fino tornillo . Mediante este movimiento lento, el telescopio se ajustó hasta que la estrella se movió a lo largo del cable horizontal (o si había dos, en el medio entre ellos), desde el lado este del campo de visión hacia el oeste. A continuación, los microscopios leyeron los círculos para medir la altitud aparente de la estrella. La diferencia entre esta medida y el punto nadir fue la distancia nadir de la estrella. También se utilizó un alambre horizontal móvil o un micrómetro de declinación. [11]
Otro método para observar la altitud aparente de una estrella consistía en tomar la mitad de la distancia angular entre la estrella observada directamente y su reflejo observado en un recipiente de mercurio. El promedio de estas dos lecturas fue la lectura cuando la línea de visión era horizontal, el punto horizontal del círculo. Se tuvo en cuenta la pequeña diferencia de latitud entre el telescopio y la cuenca de mercurio.
Los cables verticales se utilizaron para observar el tránsito de estrellas, y cada cable proporcionó un resultado separado. El tiempo de tránsito sobre el cable central se estimó, durante el análisis posterior de los datos, para cada cable sumando o restando el intervalo conocido entre el cable central y el cable en cuestión. Estos intervalos conocidos se predeterminaban cronometrando el paso de una estrella de declinación conocida de un hilo al otro, siendo la estrella polar la mejor debido a su lento movimiento. [11] \ Los tiempos se hicieron originalmente mediante un método de "ojo y oído", estimando el intervalo entre dos latidos de un reloj. Más tarde, los tiempos se registraban presionando una tecla y la señal eléctrica dejaba una marca en una grabadora . Más tarde, el extremo ocular del telescopio solía estar equipado con un micrómetro impersonal , un dispositivo que permitía hacer coincidir el movimiento vertical de una cruz con el movimiento de la estrella. Situada precisamente en la estrella en movimiento, la mira activaría la sincronización eléctrica del cruce del meridiano, eliminando la ecuación personal del observador de la medición. [15]
El campo de los cables podría iluminarse; las lámparas se colocaban a cierta distancia de los pilares para no calentar el instrumento, y la luz pasaba a través de los agujeros de los pilares y a través del eje hueco hasta el centro, desde donde era dirigida hasta el extremo del ojo mediante un sistema de prismas. . [11]
Para determinar las declinaciones absolutas o distancias polares, era necesario determinar la colatitud del observatorio , o distancia del polo celeste al cenit , observando la culminación superior e inferior de una serie de estrellas circumpolares . La diferencia entre la lectura del círculo después de observar una estrella y la lectura correspondiente al cenit era la distancia cenital de la estrella, y esto más la colatitud era la distancia al polo norte. Para determinar el punto cenital del círculo, se dirigió el telescopio verticalmente hacia abajo, hacia un recipiente de mercurio , cuya superficie formaba un espejo absolutamente horizontal. El observador vio el hilo horizontal y su imagen reflejada, y moviendo el telescopio para hacerlas coincidir, su eje óptico quedó perpendicular al plano del horizonte, y la lectura del círculo fue de 180° + punto cenital. [14]
En las observaciones de estrellas se tuvo en cuenta la refracción , así como los errores de graduación y flexión. Si la bisección de la estrella en el cable horizontal no se hacía en el centro del campo, se tenía en cuenta la curvatura, o la desviación de la trayectoria de la estrella desde un círculo máximo, y la inclinación del cable horizontal hacia el horizonte. La magnitud de esta inclinación se encontró tomando repetidas observaciones de la distancia cenital de una estrella durante un tránsito, siendo la estrella polar la más adecuada debido a su lento movimiento. [dieciséis]
Se intentó registrar fotográficamente los tránsitos de una estrella. Se colocó una placa fotográfica en el foco de un instrumento de tránsito y se hicieron varias exposiciones breves, registrándose automáticamente su duración y el tiempo mediante un reloj. El obturador de exposición era una fina tira de acero fijada a la armadura de un electroimán. Así, la placa registró una serie de puntos o líneas cortas, y los cables verticales se fotografiaron en la placa arrojando luz a través de la lente del objetivo durante uno o dos segundos. [dieciséis]
Los círculos de meridianos requerían un ajuste preciso para realizar un trabajo preciso. [17]
El eje de rotación del telescopio principal debía ser exactamente horizontal. Un nivel de burbuja sensible , diseñado para descansar sobre los pivotes del eje, realizaba esta función. Al ajustar uno de los cojinetes en forma de V, se centró la burbuja.
La línea de visión del telescopio debía ser exactamente perpendicular al eje de rotación. Esto podría hacerse observando un objeto distante y estacionario, levantando e invirtiendo el telescopio sobre su orientación y observando nuevamente el objeto. Si la mira no cruzaba el objeto, la línea de visión estaba a medio camino entre la nueva posición de la mira y el objeto distante; la mira se ajustó en consecuencia y el proceso se repitió según fuera necesario. Además, si se supiera que el eje de rotación era perfectamente horizontal, el telescopio podría dirigirse hacia abajo, hacia una cuenca de mercurio , y la mira se iluminaría. El mercurio actuó como un espejo perfectamente horizontal, reflejando una imagen de la mira hacia el tubo del telescopio. Luego, la mira se podía ajustar hasta que coincidiera con su reflejo, y la línea de visión era entonces perpendicular al eje.
La línea de visión del telescopio debía estar exactamente dentro del plano del meridiano. Esto se hizo aproximadamente construyendo los pilares y los apoyos del eje en una línea este-oeste. Luego, el telescopio se llevó al meridiano cronometrando repetidamente los (aparentes, incorrectos) tránsitos de los meridianos superior e inferior de una estrella circumpolar y ajustando uno de los rumbos horizontalmente hasta que el intervalo entre los tránsitos fuera igual. Otro método utilizó tiempos de cruce de meridianos calculados para estrellas particulares según lo establecido por otros observatorios. Este fue un ajuste importante y se dedicó mucho esfuerzo a perfeccionarlo.
En la práctica, ninguno de estos ajustes fue perfecto. Los pequeños errores introducidos por las imperfecciones fueron corregidos matemáticamente durante el análisis de los datos.
Algunos telescopios diseñados para medir tránsitos de estrellas son telescopios cenital diseñados para apuntar directamente al cenit o cerca de él para una medición de extrema precisión de las posiciones de las estrellas. Utilizan una montura altazimutal , en lugar de un círculo meridiano, provista de tornillos niveladores. En la montura del telescopio se colocan niveles extremadamente sensibles para realizar mediciones de ángulos y el telescopio tiene un ocular equipado con un micrómetro . [18]
La idea de tener un instrumento ( cuadrante ) fijo en el plano del meridiano se les ocurrió incluso a los antiguos astrónomos y Ptolomeo la menciona , pero no se llevó a la práctica hasta que Tycho Brahe construyó un gran cuadrante de meridiano. [6]
Los círculos de meridianos se han utilizado desde el siglo XVIII para medir con precisión las posiciones de las estrellas y poder catalogarlas . Esto se hace midiendo el instante en que la estrella pasa por el meridiano local. También se anota su altitud sobre el horizonte. Conociendo la latitud y longitud geográficas , estas medidas se pueden utilizar para derivar la ascensión recta y la declinación de la estrella .
Una vez que se dispusiera de buenos catálogos de estrellas, se podría utilizar un telescopio de tránsito en cualquier parte del mundo para medir con precisión la longitud y el tiempo locales observando los tiempos de tránsito de los meridianos locales de las estrellas del catálogo. Antes de la invención del reloj atómico, esta era la fuente más fiable de hora exacta.
En el Almagesto , Ptolomeo describe un círculo meridiano que consistía en un anillo exterior graduado fijo y un anillo interior móvil con lengüetas que utilizaban una sombra para fijar la posición del Sol. Estaba montado verticalmente y alineado con el meridiano. El instrumento se utilizó para medir la altitud del Sol al mediodía con el fin de determinar la trayectoria de la eclíptica . [19]
Un círculo meridiano permitía al observador determinar simultáneamente la ascensión recta y la declinación , pero no parece haber sido muy utilizado para la ascensión recta durante el siglo XVII, el método de igualdad de altitudes mediante cuadrantes portátiles o medidas de la distancia angular entre estrellas con un siendo preferido el sextante astronómico . Estos métodos eran muy inconvenientes y, en 1690, Ole Rømer inventó el instrumento de tránsito. [6]
El instrumento de tránsito consta de un eje horizontal en dirección este y oeste que descansa sobre soportes firmemente fijados y que tiene un telescopio fijado en ángulo recto al mismo, que gira libremente en el plano del meridiano. Al mismo tiempo, Rømer inventó el instrumento de altitud y acimut para medir los ángulos verticales y horizontales, y en 1704 combinó un círculo vertical con su instrumento de tránsito, para determinar ambas coordenadas al mismo tiempo. [6]
Sin embargo, esta última idea no fue adoptada en otros lugares, aunque el instrumento de tránsito pronto se hizo de uso universal (el primero se montó en Greenwich en 1721), y el cuadrante mural continuó empleándose hasta finales de siglo para determinar las declinaciones. Las ventajas de utilizar un círculo completo, ya que es menos propenso a cambiar su forma y no requiere invertirse para observar las estrellas al norte del cenit, fueron reconocidas nuevamente por Jesse Ramsden , quien también mejoró el método de lectura de ángulos mediante un microscopio micrométrico como se describe a continuación. [6]
La creación de círculos fue retomada poco después por Edward Troughton , quien construyó el primer círculo de tránsito moderno en 1806 para el observatorio de Groombridge en Blackheath , el Círculo de Tránsito de Groombridge (un círculo de tránsito meridiano). Posteriormente, Troughton abandonó la idea y diseñó el círculo mural para que ocupara el lugar del cuadrante del mural. [6]
En el Reino Unido, el instrumento de tránsito y el círculo mural continuaron hasta mediados del siglo XIX siendo el instrumento principal en los observatorios, siendo el primer círculo de tránsito construido el de Greenwich (montado en 1850). Sin embargo, en el continente, el círculo de tránsito los reemplazó a partir de los años 1818-1819, cuando se montaron dos círculos de Johann Georg Repsold y Georg Friedrich von Reichenbach en Göttingen , y uno de Reichenbach en Königsberg . La empresa Repsold and Sons se vio eclipsada durante varios años por la de Pistor and Martins en Berlín, que dotó a varios observatorios con instrumentos de primera clase. Tras la muerte de Martins, los Repsold volvieron a tomar la delantera y dieron muchas vueltas. Los observatorios del Harvard College , la Universidad de Cambridge y la Universidad de Edimburgo contaban con grandes círculos de Troughton y Simms . [6]
Los círculos de tránsito aéreo en el Observatorio Real de Greenwich (1851) y el del Observatorio Real, Cabo de Buena Esperanza (1855) fueron realizados por Ransomes y May de Ipswich. El instrumento de Greenwich contó con trabajo óptico e instrumental de Troughton y Simms según el diseño de George Biddell Airy .
Un ejemplo moderno de este tipo de telescopio es el Telescopio de Tránsito de Exploración Astrométrica de Flagstaff (FASTT) de 8 pulgadas (~0,2 m) en el Observatorio de la Estación Flagstaff del USNO . [20] Los círculos de meridianos modernos suelen estar automatizados. El observador es sustituido por una cámara CCD . A medida que el cielo se desplaza a través del campo de visión, la imagen creada en el CCD pasa (y sale) del chip a la misma velocidad. Esto permite algunas mejoras: [21]
El primer instrumento automatizado fue el Carlsberg Automatic Meridian Circle , que entró en funcionamiento en 1984. [22]
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