Coronógrafo Solar SunCorGraph-I

Construcción de un coronógrafo solar de tipo Lyot clásico - 2023

En este artículo explicamos la construcción de nuestro coronógrafo solar tipo Lyot, al que hemos llamado SunCorGraph-I. No explicaremos los principios del coronógrafo Lyot clásico, ya que existe mucha información disponible en libros, artículos y en las webs especializadas. La figura 1 muestra SunCorGraph-I, con el cono ocultador al descubierto, por lo que se puede ver la luz del sol dispersándose en él en un reflejo amarillento muy intenso.

Figura 1.- A la izquierda, se puede observar una vista global del aparato, que tiene la parte del ocultador abierta, por lo que se puede ver la intensa luz del sol reflejada en el cono ocultador. A la derecha, se ve un primer plano del sistema de ocultación.

En la Figura 2 se muestra un diagrama del coronógrafo Lyot clásico. La lente principal del telescopio se indica como O1, el cono como S, la lente de campo como O2 y el grupo de lentes del telecéntrico como O3 y O4. El diafragma Lyot está indicado con la letra D y el filtro entre O3 y O4 con la F. La última lente, O4, es la responsable de la formación de la imagen final en el plano del sensor de la cámara.

En las explicaciones a continuación, llamaremos lente principal a la lente del objetivo, y conjunto Lyot al resto de elementos, desde el cono ocultador S, hasta la lente O4. A la distancia focal de la lente principal la denominaremos distancia focal principal. El conjunto Lyot está montado sobre un tubo que se puede desacoplar del telescopio fácilmente para modificar la configuración de lentes.

El cálculo de las diferentes posiciones de las lentes y el diafragma Lyot se realiza mediante una hoja de Excel desarrollada para este fin. Los datos en la hoja de Excel son la distancia focal principal, las distancias focales de O2, O3 y O4, la posición del cono con respecto a la lente de campo (indicado con X en la figura 2) y la distancia entre O3 y O4. A partir de esto, se calculan la posición de O1, O2, O3 y el diafragma Lyot, junto con el diámetro del cono (en función del tamaño angular del sol, que depende del mes del año), el diámetro de apertura del diafragma Lyot y la distancia focal efectiva del telescopio.

Figura 2.- Elementos de SunCorGraph-I. Las lentes están indicadas como O1 la lente principal, O2 la lente de campo y O3-O4 las del telecéntricas. El diafragma Lyot se indica con la letra D, y el filtro con la F. ​​Las distancias focales de O1 y O4 están indicadas con f1 y f4. La misma nomenclatura se usa en la hoja de cálculo excel referida arriba en el texto.

La estructura del telescopio consiste en una armadura externa que consta de una secuencia de cinco anillos de aluminio conectados mediante varillas roscadas. El primer anillo sujeta la lente principal, mientras que el último alberga un enfocador GSO de tipo Newton (su soporte externo cuadrado está aplanado para que se asiente correctamente en el anillo). En la figura 3 se muestra la armadura externa. En la figura 4, se muestran los primeros pasos de la construcción de la armadura para SunCorGraph-I, con el ensamblaje Lyot en su primera evolución (en esta imagen, el enfocador Newton aún no está montado; en su lugar, se utilizan monturas cuadradas deslizantes ThorLabs para los tubos SM2 donde se está desarrollando el ensamblaje Lyot, que se explicarán más adelante).

El conjunto Lyot va montado en tubos ThorLabs SM2 con adaptadores específicos y se fija al tubo móvil del enfocador GSO: una sección va en su extremo frontal (hacia la lente principal) y la otra en su extremo posterior (hacia la cámara). El cono de ocultación (S), las lentes O2 y O3, el diafragma Lyot (D) y el filtro (F) se encuentran en la sección de tubo fijada al extremo frontal del tubo móvil del enfocador. Esta sección se puede desmontar fácilmente para cambiar la configuración de las lentes y la posición de todos los elementos. La lente O4 se encuentra en la sección del tubo fijada al extremo posterior y también se puede cambiar fácilmente. Se utiliza un enfocador helicoidal portaoculares de 1,25" para sujetar la cámara al final, después de la lente O4. Cuando el tubo móvil del enfocador se mueve, todo el conjunto Lyot se mueve con él. Esto permite colocar el cono ocultador en el plano focal principal. En la figura 5, se puede ver un diagrama del enfocador y el conjunto Lyot, antes de montarlo en la armadura externa. En la figura 5, se puede ver un diagrama del conjunto Lyot y el enfocador, antes de su ensamblaje en la armadura del telescopio. En la figura 6 se muestran varias configuraciones y modelos del cono según fueron evolucionando.

Figura 3.- Diagrama de la armadura externa del telescopio, indicando sus elementos.

Figura 4.- (a) Primeros pasos de la construcción de la armadura de SunCorGraph. En esta imagen, la armadura se ve sobre una montura ecuatorial casera hecha con elementos reciclados. El conjunto Lyot que se ve aquí no es el definitivo; de hecho, aún no incluye el enfocador GSO tipo Newton, sino unos deslizadores Thorlabs. (b) Primeras pruebas del conjunto Lyot, con un cristal esmerilado colocado en el plano focal final para inspeccionar la ocultación del sol. (c) Prueba de la imagen observando los edificios cercanos.

Figura 5.- Diagrama del conjunto de tubos y enfocador del conjunto Lyot, en su evolución final.

La Figura 6 muestra algunos detalles sobre la evolución de la configuración del cono de ocultación. Inicialmente, utilizamos el método clásico de sujeción a través de la lente. Pronto nos dimos cuenta de que los defectos en el sistema de soporte provocaban puntos brillantes y artefactos en la imagen final. Debido a esto, rediseñamos el sistema, optando por un soporte “flotante” del cono mediante barra lateral radial, lo que permitió utilizar una lente sin perforar

En la Figura 7, se puede ver un diagrama del conjunto Lyot ya montado en la armadura externa. Se utilizó un tubo con bafles internos (el tubo era reciclado de un antiguo láser desmantelado para museo) para cubrir el camino óptico desde la lente principal hasta el cono ocultador. Los bafles se hicieron en forma de anillo a partir de una plancha de aluminio de 1 mm, cortando los anillos mediante chorro de agua. Los diámetros de agujero central de los anillos, así como sus posiciones dentro del tubo, se calcularon usando una hoja Excel programada al efecto. Los bafles así cortados, se pintaron de negro con pintura especial y se sujetaron en sus posiciones correspondientes (la técnica de sujeción es uno de los secretos mejor guardados por nosotros).

La Figura 8 muestra algunas imágenes del montaje definitivo de SunCorGraph y algunos de sus elementos.

Figura 6.- Algunos detalles sobre la evolución de la configuración del cono de ocultación. A la izquierda, el primer diseño basado en el método clásico de sujeción mediante taladro en la lente. La perforación salió bien, pero los pequeños defectos del borde provocaban brillos y artefactos en la imagen final. Rediseñamos la sujeción mediante un sistema de varilla radial, lo que permitió utilizar una lente sin perforar. Esto se puede ver a la derecha. En el centro, otro diseño de cono con el que experimentamos que tampoco funcionó correctamente.

Figura 7.- Diagrama del conjunto Lyot montado sobre la armadura externa. Se puede ver el diagrama completo de SunCorGraph-I, incluyendo el tubo con los bafles. Obsérvese que hay un espacio entre el extremo del tubo de bafles y el soporte del cono de ocultación. Este espacio permite desmontar el soporte del cono para que SunCorGraph pueda utilizarse como un telescopio de imagen solar convencional. El espacio facilita la evacuación del calor, pero a costa de que la luz entre lateralmente a la lente de campo. En la práctica, el espacio se cubre con una manta negra que, al estar a cierta distancia del cono, facilita la evacuación del calor.

Figura 8.- Diferentes imágenes de los componentes y la evolución final del coronógrafo. (a) Vista en primer plano de la lente principal, con la película de Mylar giratoria que permite utilizar el telescopio para obtener imágenes normales o realizar las operaciones previas de enfoque para luego realizar coronografía. (b) Bafles utilizados para el tubo principal. (c) Soporte del motor del enfocador, basado en Pegasus Cube II. (d) Vista global SunCorGraph-I, con una cámara Apollo M Max Pro montada. La montura ecuatorial de horquilla que soporta el telescopio es una Celestron Ultima PEC de los años ochenta, tras ser restaurada y con una nueva electrónica (Markarian MKee). A la izquierda del SunCorGraph-I se encuentra un pequeño telescopio guía, que hemos utilizado para probar software propio de guiado. (e) SunCorGraph en acción, mostrando la intensa reflexión de luz solar en el cono de ocultación.

Ampliación de la figura 8d.

Pruebas de SunCorGraph-I

Nuestro diseño nos permitió utilizar diferentes configuraciones del conjunto Lyot. Las distancias focales más utilizadas fueron (en mm) 680-100-150 para O1 y O3, respectivamente, y 55, 40 y 90 para O4. Se utilizan diferentes focales para O4 a fin de cambiar el tamaño de la imagen en el sensor, sin modificar los demás elementos. La lente principal era un doblete acromático reciclado, provisto de tornillos de inclinación que permitían alinear la lente.

Los filtros que se han usado en SunCorGraph han sido el filtro Hα con paso de banda de 7 nm (FWHM), y el filtro G-Band de 2 nm. La corona sólo se observó una única vez con el filtro Hα, mientras que con el G-Band, por ahora no se consiguió ninguna imagen. Con la lente O4 de 90 mm el tamaño del sol sobrepasaba el cuadro de imagen de la ASI290MM Mini. La combinación de esta lente con el filtro G-Band proporcionó muy buenas imágenes de la fotosfera (que se muestran en las figuras 10 a 12).

El poco éxito en la obtención de imágenes de la corona es normal, ya que el observatorio donde nos encontramos se encuentra a tan solo unos 600 m de altitud. Rara vez se reportan éxitos a estas altitudes. Fue el 20 de febrero de 2024, que amaneció con un cielo muy despejado y puro, con una dispersión muy pequeña alrededor del sol, cuando pudimos obtener la primera imagen de la corona con SunCorGraph. Este evento solo se repitió una vez más a finales de ese mismo año. En la figura 9, se puede ver la imagen de la corona, con una configuración de SunCorGraph era 680-100-150-55, siendo O4 un doblete acromático de 55 mm de distancia focal. En las siguientes figuras se puede ver una colección de imágenes tomadas con SunCorGraph.

Figura 9.- La primera imagen de la corona tomada con SunCorGraph, con la configuración 680-100-150-55 y el filtro Hα (7 nm bandpass). La cámara usada aquí es la ASI290MMMini. Las manchas que aparecen a la derecha provienen de la lente de 55 mm (algún filamento de polvo que se quedó dentro del tubo y se posó en la lente).

Figura 10.- Imagen de la fotosfera tomada en verano de 2024, con la configuración 680-100-150-90, la cámara ASI29MM Mini, filtro G-Band 2 nm y la lámina de bloqueo de Mylar.

Figura 11.- Imagen de la fotosfera tomada en verano de 2024, misma configuración que en la figura 10. Se aprecian los "puentes" en la mancha más grande.

Figura 12.- Arriba, la mancha más grande de la imagen en la figura 11, ampliada. Abajo, la mancha tomada ese mismo día con un telescopio de 150 mm de apertura, f/7, y un filtro Hα de banda ultra-estrecha (0.3 A).