MONTATURE GO-TO: coordinate celesti, puntamento automatico ed autoguida; vediamo di capire come funzionano.

Articolo pubblicato su Coelum Astronomia n.258

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Al giorno d’oggi quasi tutti possono permettersi un telescopio con sistema di puntamento automatico; questi supporti a controllo elettronico, comunemente chiamati montature equatoriali GoTo, sono estremamente comodi  per le osservazioni visuali mentre diventano assolutamente essenziali per chi pratica astrofotografia.

Credo che tanti, come me, si siano sempre chiesti come funzionassero senza però aver mai approfondito realmente l’argomento, accontentandosi (io in primis) di usarli senza “stressarsi” troppo. Tale approccio “rilassato” potrebbe essere vincente finché la strumentazione non presenta i primi  problemi! E prima o poi capita sempre!!! Quando ci troviamo fuori casa al buio ed al freddo, senza avere una conoscenza profonda dello strumento, un qualsiasi malfunzionamento, anche un semplice bug temporaneo, potrebbe amplificarsi talmente tanto nella nostra testa dal rendere la risoluzione del problema una vera odissea, rovinando di fatto tutta una sessione. Oramai son convinto che tra tutti i temi tecnici discussi dagli astrofili quelli che proporrò nella parte finale del presente articolo siano tra i meno trattati, sopratutto a causa di una carenza cronica di documentazione reperibile online.. ed è proprio questo il motivo che mi ha spinto a scrivere un approfondimento: avere una buona conoscenza di ciò che si utilizza permetterà di affrontare con più sicurezza, immediatezza e lucidità le future serate sotto al cielo stellato, dandoci quella serenità per goderne a pieno! Io fin da subito mi sono chiesto come diamine facesse la mia montatura ad essere così precisa: purtroppo alcune informazioni si trovano solo sui siti dei costruttori (quasi sempre in lingua straniera) oppure su portali altamente specializzati. Altre informazioni invece riguardano nozioni che tutti gli Astrofili dovrebbero avere, non tanto per appagare la propria curiosità, ma come bagaglio base delle proprie competenze: inizieremo proprio da queste; cercherò di spiegarle nel modo più semplice possibile per essere compreso anche da chi è alle prime armi.

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IL FUNZIONAMENTO BASE DI UNA MONTATURA EQUATORIALE.

Tutti sappiamo che la terra ruota attorno al proprio asse e che questo movimento crea il cosiddetto moto apparente della volta celeste: l’unico punto fisso nel cielo, la prosecuzione dell’asse terreste, vede ruotare attorno a se tutto il resto ed ogni oggetto esterno al nostro sistema solare, che sia una stella, una galassia o una nebulosa percorrerà sempre la stessa traiettoria disegnando di fatto un cerchio attorno a questo punto. L’idea di base usata per poterli inseguire e tenerli sempre inquadrati fu quella di creare un supporto per il telescopio che effettuasse gli stessi movimenti: l’asse della montatura, proprio come se fosse un compasso, analogamente al puntale, andava orientato esattamente al centro del cerchio (il polo nord celeste); in base all’angolo di apertura (declinazione) si intercettava la traiettoria dell’oggetto e lo si inseguiva facendo ruotare lo strumento attorno al proprio asse (asse di ascensione retta).

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IL PUNTAMENTO AUTOMATICO.

In fase di automatizzazione del puntamento le nuove sfide progettuali implicavano il tener conto che la posizione delle stelle cambia a seconda del luogo di osservazione. La perplessità più ovvia, forse la prima che si può avere, è che non è possibile tenere memorizzata in un hardware la mappa del cielo per ogni località del mondo: a quante località si dovrebbe far riferimento? Quanto distanti tra loro per avere una sufficiente precisione? Quasi infinite suppongo. Se poi si considera che in ogni località la mappa del cielo cambia ulteriormente anche in base al momento dell’osservazione otterrei così tante combinazioni da necessitare di un’infinita capacità di storage  dell’hardware per memorizzare tutte le mappe del cielo necessarie! Non tanto funzionale direi!!! L’unica possibilità per avere un puntamento preciso a qualsiasi ora ed in qualsiasi luogo era quella di fornire dei riferimenti univoci che venissero usati di volta in volta  per calcolare le MIE coordinate celesti di riferimento facendo un match con un unico transito tenuto in memoria: ad esempio basterebbe memorizzare il transito al meridiano di una singola  stella ad un orario ed in un logo specifico (ad esempio al meridiano di Greenwich) che queste verranno ricalcolate per il mio luogo d’osservazione in tempo reale usando i sistemi che vedremo di seguito. Abbiamo già chiarito che le variabili che entrano in gioco sono 2: lo spazio ed il tempo. Per comprenderne a fondo il funzionamento però si devono conoscere le diverse unità di misura di tempo che entrano in gioco in questi calcoli. Ebbene si, il concetto di tempo non è univoco: senza scendere troppo nello specifico con spiegazioni matematiche complesse cerchiamo di capire cosa sono il tempo solare ed il tempo siderale, unità di misura fondamentali per astronomi ed astrofili.

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TEMPO SOLARE E TEMPO SIDERALE

Contrariamente a quanto si pensa il sistema di conteggio del tempo usato da noi uomini non è universale, seppur venga chiamato UTC (Universal Coordinated Time). Noi uomini siamo animali strani che chiamiamo universale ciò che usiamo solo sulla terra e sulla base dei movimenti di una minuscola stellina al centro del nostro sistema planetario (il sole ndr). Quel che scandisce effettivamente le giornate di noi uomini è proprio il tempo solare, chiamato, come dicevo, UTC solo per convenzione. Come suggerisce il suo nome, il tempo solare è calcolato in base alla posizione del sole rispetto alla linea verticale che passa sopra le nostre teste, il meridiano. Succede però che dopo un giro della terra su se stessa il sole non apparirà nuovamente sopra la nostra testa come potremo pensare: questo perché contemporaneamente al moto di rotazione il moto di rivoluzione ci ha spinti un po’ più avanti. La terra dovrà compiere quindi ancora circa un grado di giro attorno al proprio asse per rimettere il sole allo zenit. Quindi il tempo solare tiene conto di un giro della terra su se stessa “un pò più ampio”. Guarda la fig. 2 per capire meglio.

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Osservando attentamente il disegno qua sopra si nota che, a differenza del nostro sole, le stelle (essendo tanto lontane da essere considerate ad una distanza prossima all’infinito) ritornano sempre al meridiano dopo un giro esatto della terra: 365 gradi. Il sole invece transita al meridiano solo dopo un giro abbondante: circa 366 gradi. Noi uomini, che da tempi immemori dovevamo avere riferimenti precisi per regolare i cicli che garantivano la sopravvivenza della specie, prendemmo come riferimento l’astro più luminoso e facilmente individuabile nel cielo, quello abbastanza luminoso da tracciare ombre tangibili e misurabili sulla terra. Questo astro era il sole; da qui nacque il giorno solare come riferimento per contare il tempo; sulla base di tutte le analisi fatte finora è facile (per noi uomini moderni) capire che il sole ci mette sempre un po’ di più per tornare al meridiano rispetto alle stelle. Il tempo usato prendendo come riferimento le stelle si chiama tempo siderale (dal latino sidereus, delle stelle). Se un giorno solare dura 24 ore il tempo siderale è inferiore di circa 4 minuti: si può calcolare infatti che una stella lontana (una qualsiasi) torna al meridiano ogni 23 ore e 56 minuti (tempo siderale medio approssimato ndr.). Questo è il vero tempo impiegato dalla terra per compiere una rotazione attorno al proprio asse. Ogni volta che penso a questo mi chiedo quale sia il vero tempo universale, se quello creato da noi uomini sulla base dei riferimenti che troviamo dietro l’angolo o quello di stelle infinitamente lontane, che oramai possiamo ammirare solo abbandonando le città e tornando a guardare il cielo notturno incontaminato.

Fatte queste considerazioni ed andando oltre le ultime digressioni, considerando che il tempo siderale resta indietro di circa 4 minuti al giorno rispetto al tempo solare, a lungo andare, nel giro degli anni, questa discrepanza aumenta tantissimo. Per questo non si può pensare di trovare corrispondenza tra un orologio solare ed un orologio siderale!! Ora che scrivo ad esempio, in Italia, sono le 14:57 mentre il mio tempo siderale locale indica le 10:52. Oggi, grazie alla tecnologia, è semplice tenere conto del tempo siderale ma in passato non fu la stessa cosa. In astronomia servivano metodi precisi allora si pensò di dividere il cielo in 24 spicchi verticali con delle linee che confluivano verso la prosecuzione dell’asse terrestre: il polo nord celeste, molto vicino alla stella polare. In questo modo il cielo divenne un grosso orologio astronomico ed ogni astro compreso in una di queste “fasce” ottenne le sue coordinate espresse in ore, minuti e secondi; queste vennero chiamate coordinate di ascensore retta (AR o RA in inglese).  Quando una stella passa allo zenit i suoi valori di ascensione retta indicheranno il tempo siderale locale (TSL o LST in inglese). LOCALE!!! Bisogna fare attenzione a questa parola: Una stella che passa al meridiano, che cioè sta allo zenit ora, era al meridiano qualche ora fa in Turchia…. E sarà allo zenit tra qualche ora a Greenwich! Questo perché la terra ruota e tutti gli astri sorgono ad Est e tramontano ad ovest tracciando, come già accennato in precedenza, una traiettoria ben precisa nel cielo. Ecco come funziona “l’orologio cosmico”. In questo sistema di coordinate celesti restava da definire quanto gli astri fossero vicini o lontani dal polo celeste, pertanto la sfera celeste venne ulteriormente divisa con delle linee orizzontali parallele e così si assegnò anche una coordinata di declinazione, misurata in gradi, primi e secondi d’arco dell’angolo compreso tra l’equatore celeste e l’astro oggetto di studio, con vertice al centro della sfera celeste. Vedi le fig. 3 e 4 per capire meglio.

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Tornando alle coordinate di ascensione retta è doveroso capire quanto esse siano precise anche per misurare le lunghezze sulla terra! Il sistema dei transiti può essere usato per calcolare esattamente la longitudine di un punto sul globo terrestre: immaginiamo di essere all’osservatorio di Greenwich e grazie ad uno strumento di precisione osserviamo il passaggio di una certa stella al meridiano, annotando il transito alle 00h 00min e 00sec. Iniziamo a contare i minuti finché la stessa stella non si troverà al meridiano da un’altra parte; ad esempio, un astronomo presso l’osservatorio di La Palma, nelle isole Canarie, vede la stessa stella passare al meridiano dopo xx ore xx minuti e xx secondi. Con questo esempio è facile capire quanto può essere preciso questo sistema per dividere in spicchi il globo terrestre ed assegnare ad ogni località un valore esatto di longitudine. Grazie a questi esempi si chiarisce anche il secondo concetto fondamentale, cioè quanto la longitudine a terra sia legata al sistema dei transiti delle stelle fisse nel cielo!

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DIFFERENZA TRA TEMPO SOLARE E SIDERALE: LA CHIAVE DI VOLTA PER CALCOLARE I TRANSITI LOCALI

Fatte queste doverose premesse e sulla base di quanto detto basterà fornire alla strumentazione l’ora solare locale ed il suo computer farà un match con l’ora siderale memorizzata. Fornendo poi le nostre coordinate terrestri essa potrà capire di quanto il transito locale è avanti o indietro rispetto a quello in memoria e calcolerà l’ora siderale locale in modo più accurato, ottenendo finalmente le coordinate AR degli oggetti che stanno passando al meridiano nel nostro luogo d’osservazione. Tutto questo serve per trovare l’ora siderale locale, fondamentale per ottenere l’orientamento strumentale in ascensione retta grazie ad un’altra variabile (l’angolo orario, o hour angle – HA) che vedremo a breve.  Per la declinazione invece non servono tante spiegazioni: basta puntare l’asse della montatura verso il polo nord celeste ed il gioco è fatto: messo in bolla il treppiede si solleva l’asse AR della montatura di un angolo pari alla latitudine in cui ci si trova e puntare la stella polare. Fatto questo l’asse AR della montatura coincide (o meglio, sarà parallelo) all’asse terrestre. Basterà far ruotare il telescopio lungo l’asse di declinazione di un angolo pari alle cooordinate di DEC per intercettare sempre ed in ogni luogo la stella cercata (vedi fig. 1).

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ORA CHE ABBIAMO CHIARA LA TEORIA GENERALE PASSIAMO AI PASSAGGI PRATICI:

Breve recap delle informazioni che servono alla montatura. Esse sono:

• COORDINATE GEOGRAFICHE ed ORA SOLARE. (Da impostare).
• ORA SIDERALE LOCALE (LST). (Viene ricavata in automatico).
• ANGOLO ORARIO (HA). (Da impostare – ARGOMENTO ANCORA DA TRATTARE)

L’utilità delle coordinate geografiche e dell’ora solare sono state ampiamente approfondite sopra. Esse servono servono, lo ripetiamo, per ricavare l’ora siderale locale(LST), che indica i transiti al meridiano. Questi 2 dati si possono impostare in diversi modi: si possono inserire sul controller manuale della montatura (hand controller o HC) o sull’interfaccia del programma di gestione installato su pc, dipende da cosa usiamo. Alcune montature invece fanno tutto in automatico con moduli gps interni oppure da collegare esternamente. Altre ancora si interfacciano a smartphone e tablet tramite app, la quale invierà un input di sincronizzazione con la posizione del device mobile. Dell’angolo orario invece non si è ancora discusso. Questo è banalmente  l’orientamento strumentale/meccanico degli assi della montatura rispetto alla verticale. La montatura infatti deve sempre sapere come è posizionata rispetto ad una posizione di riferimento posta a zero HA; spesso ad Ha=0 coincide anche con la posizione chiamata “Home Position” o “Zero Position” (anche la home position può essere settata in modo automatico o manuale con l’uso del controller manuale o del pc). L’HA può essere orientato ad est o ad ovest, oppure essere neutro quando è uguale a zero (vedi le figure sotto considerando che siamo posizionati davanti al telescopio e stiamo guardando verso sud).

(NOTA: nelle immagini seguenti, per semplicità grafica e comunicativa, HA=0 viene illustrato con barra contrappesi verso il suolo. Tenere presente che sarebbe più corretto rappresentalo con barra contrappesi in orizzontale in modo che l’asse di DEC possa puntare al meridiano ruotando il telescopio verso l’alto).

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CONCLUDIAMO ORA CON ALCUNI ESEMPI E DIMOSTRAZIONI PRATICHE.

Consideriamo che la montatura è stata regolarmente impostata ed ora è in possesso di queste info:

LOCAL SIDERAL TIME = LST

HOUR ANGLE = HA

REGOLA BASE: Posto che l’ora siderale locale corrisponde alle coordinate AR dell’oggetto in transito al meridiano abbiamo…

RA = LST – HA

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Quindi conoscendo l’LST la montatura varierà l’RA per puntare qualsiasi oggetto.

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In questo caso la montatura in home position con HA=0 deve aggiungere 3h  di rotazione ad Est per intercettare le coordinate RA dell’oggetto da puntare. Supponendo invece che la montatura fosse stata già puntata a 2h e 30min est rispetto al meridiano allora avrebbe dovuto aggiungere solo 30 minuti per intercettare l’oggetto.

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APPROFONDIMENTO SU BUG NEI RIFERIMENTI DI HA E COME AGIRE:

Se capita che il sistema non abbia i giusti riferimenti di angolo orario non sarà in grado di andare in puntamento correttamente. A tal proposito un consiglio spassionato che vorrei darvi è quello di installare un puntatore laser al posto del cercatore: oltre che molto comodo è un’ancora di salvezza per correggere questi errori. I problemi più comuni possono verificarsi a causa di una porta usb o un cavo non funzionante che trasmette gli impulsi a singhiozzo facendo perdere l’orientamento al vostro device. Ancora più banale può esse il verificarsi di un semplice bug del software. In questi casi può capitare che la montatura vada in puntamento senza centrare il target. Sapendo dove si trova l’oggetto che stiamo cercando basterà accendere il puntatore, sganciare le frizioni di AR e DEC, fare un puntamento manuale e riagganciare le manopole. Così facendo, anche se il puntamento non è stato preciso, saremo in grado di lanciare un’analisi delle stelle con un breve scatto di prova chiamato plate solve ed il software capirà quale zona di cielo sta osservando per poi fare un allineamento di fino totalmente automatico (tanti sistemi infatti falliscono il plate solve se la zona di cielo che andiamo a mappare è molto lontana dal target cercato). Se non sappiamo neppure orientativamente dove andare a cercare il nostro target possiamo lanciare il puntamento di una stella nota: una volta che il puntamento fallisce si va a correggere manualmente usando il laser come descritto sopra. Questo è un sistema molto semplice che consentirà di ingannare sia l’elettronica che la meccanica del sistema perché quando la montatura crederà (erroneamente) di essere ben orientata sarete voi a compensare manualmente la discrepanza nell’angolo orario di puntamento.

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AUTOGUIDA

Una volta puntato l’oggetto celeste da osservare o fotografare le montature elettroniche riescono a tenere centrato il target inseguendo il suo moto apparente nel cielo. L’albero di trasmissione in AR infatti ruota della stessa velocità con cui ruotano le stelle e gli altri oggetti attorno al polo celeste. Tuttavia questo inseguimento non è precisissimo a causa di problemi fisici come tolleranze meccanico-costruttive, disallineamento al polo etc. Se quasi sempre la precisione dell’inseguimento è sufficiente nelle osservazioni visuali, lo stesso non si può dire in astrofotografia. Per questo ci viene in ausilio la cosiddetta autoguida: un secondo telescopio guida con una fotocamera aggiuntiva monitora una stella di riferimento e quando essa si sposta oltre una certa tolleranza viene mandato un input alla montatura per correggere il puntamento. Questo sistema consente di tenere l’inquadratura sempre ferma e se si devono scattare delle foto a lunga posa il suo buon funzionamento è fondamentale. Avremo sicuramente modo di approfondire questi argomenti in altri articoli dedicati.

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ALTRE NOTE FONDAMENTALI:

Giova precisare inoltre che esistono diversi sistemi per impostare le informazioni iniziali da cui il software ottiene il tempo siderale locale e di volta in volta ci si deve informare tramite il fornitore, il produttore ed in primis il libretto d’uso del dispositivo. Ad esempio, il mio sistema è composto da una montatura iOptron gestita da minicomputer asi air con cui mi interfaccio tramite smartphone. Nel mio caso l’app prende l’ora solare dal cellulare senza tener conto dell’ora legale estiva, infatti d’estate il mio smartphone è sempre avanti di un’ora rispetto all’ora di sistema usata dal’app. Tuttavia, la montatura viene sincronizzata con l’ora legale del telefono. I produttori Cinesi di questo software non tengono conto dell’ora legale perché da loro non si usa ed hanno lo stesso orario tutto l’anno, perciò dovrò disabilitare l’ora legale sulla montatura tramite HC.

La stessa montatura potrei comandarla solo dal controller manuale ed in questo caso non avrei problemi poiché il paese di produzione usa l’ora legale e ne ha tenuto conto in fase di programmazione (ricordiamoci che per avere le coordinate celesti si parte sempre dall’ora solare).

In ogni caso consiglio sempre di verificare e provare le impostazioni da usare, spesso anche andando a tentativi, ma conoscere e capire quali sono i processi alla base dei calcoli fatti dagli strumenti sarà sicuramente un’arma in più per non brancolare nel buio e procedere in modo più sereno e spedito in questa fantastica avventura.