Refratores ou Refletores?

          versus    

Refratores

Os refratores basicamente são instrumentos ópticos compostos de lentes, e as vezes são chamados de lunetas. A luneta de Galileu era um típico refrator. Atualmente os refratores são mais sofisticados, sendo constituídos de uma objetiva, parte da frente da luneta, onde emprega-se lentes acromáticas, ou apocromáticas montada em um tubo.

Usualmente a objetiva é formada por dois elementos de lentes de diferentes tipos de vidro, ou cristal, que podem ser espaçadas entre si em alguns milímetros.

No fim do tubo nós empregamos as oculares, que podem ser fixas ou intercambiáveis, e que se ajustam em tubos deslizantes ou cremalheiras a fim de se obter o melhor foco.

A Luneta utilizada por Galileu era um instrumento de pequenas dimensões e era constituído por uma objetiva cromática (objetiva formada por uma única lente convergente). Os telescópios refratores só começaram a atingir as dimensões atuais com a invenção da objetiva acromática. Esse tipo de objetiva foi proposta em 1733 por Chester More Hall, e a primeira objetiva desse tipo foi feita por John Dollond em 1759.

A objetiva acromática é composta por duas lentes, a primeira é uma lente bi-convexa e a segunda uma lente plano-côncava. Essas duas lentes são confeccionadas utilizando-se dois diferentes tipos de vidro. A primeira lente é confeccionada com um vidro menos denso, sendo que a segunda lente é feita com um vidro de maior densidade. Devido a maior densidade da segunda lente, as diferentes cores sofrem um desvio interceptando o eixo óptico no mesmo ponto, corrigindo a aberração cromática.

Veja as Figuras 1a e 1b, abaixo, de um refrator.

Fig. 1a:  Esquema típico de um Refrator (Imagem cedida por Sebastião S. Filho).

Fig 1b: Esquema típico de um Refrator 102ED: 4″ f/9.

Refletores

Os refletores basicamente são instrumentos ópticos compostos de espelhos, e as vezes são chamados de telescópios. Atualmente tanto os refratores como os refletores são ditos como sendo telescópios. O refletor usa como objetiva um espelho de forma côncava, este espelho na realidade é um vidro devidamente polido com uma camada refletora, que em geral pode ser a prata ou o mais empregado, o alumínio, daí o termo aluminização.

No ano de 1672, o físico inglês Isaac Newton inventou um novo tipo de telescópio, que mais tarde ficou conhecido como telescópio Newtoniano. Como os refratores apresentavam o grave problema da aberração cromática, Newton sugeriu a utilização de um espelho côncavo no lugar de uma lente objetiva. Os raios luminosos refletidos pela superfície do espelho não são decompostos, pois não passam por um meio mais denso como de uma lente, eliminando assim aberração cromática. Este telescópio possui um espelho primário que é o espelho côncavo e um secundário que é um pequeno espelho plano localizado dentro do tubo disposto em 45 graus em relação ao eixo óptico do sistema, refletindo os raios luminosos para a lateral do tubo. Nesta posição encontramos a lente ocular com o dispositivo de focalização.

Veja nas Figuras2a e 2b abaixo, o Refletor Newtoniano.

Fig. 2a:  Esquema típico de um Refletor Newtoniano (Imagem cedida por Sebastião S. Filho).

Fig. 2b:  Esquema típico de um Refletor Newtoniano (D = 102mm, F = 900mm, f/9).

Outro tipo bastante usado de refletor é o telescópio Cassegrain que possui um espelho secundário convexo paralelo ao primário desviando a luz para dentro do tubo em direção ao espelho primário. O espelho primário contém um furo bem no seu centro, onde a luz passa, e atrás desse espelho é colocado o porta ocular e o dispositivo de foco. Veja nas Figuras 3a e 3b, abaixo, o Refletor Cassegrain.

Fig. 3a:  Esquema típico de um Refletor Cassegrain (Imagem cedida por Sebastião S. Filho).

Portanto, no telescópio Cassegrain, a observação é feita de modo semelhante a uma luneta, e não perpendicular ao tubo como no Newtoniano. O telescópio Cassegrain foi inventado pelo francês Guillaume Cassegrain no ano de 1672, exatamente na mesma época em que Newton apresentava seu telescópio.

Existem ainda outros tipos de refletores como os Gregorianos (Cassegrain Gregorianos). Por ser um telescópio muito utilizado tanto por astrônomos amadores como por profissionais, a óptica Cassegrain apresenta diversas variações. Algumas variações estão nas superfícies dos espelhos primário e secundário. Assim nós temos os Maksutov-Cassegrain, Schmidt-Cassegrain, Cassegrain Pressman-Camichel, Cassegrain Ritchey-Chrétien, Cassegrain Dall-Kirkham, etc.

Os Maksutov-Cassegrain são telescópios muito bons opticamente, e um desses bem feito pode chegar à qualidade de um bom refrator apocromático. Porém, como os bons refratores esses também tem seu preço bastante elevado.

Fig. 3b: Refletor Schmidt Cassegrain, modelo LX200 de D = 30cm F = 3.000 mm f/10.

Refrator versus Refletor qual o Amador deverá usar ?

Esta questão tem sido muito bem debatida, porém ainda vejo astrônomos amadores ou mesmo profissionais não saberem das diferenças e qualidades de cada um.

O refrator pode ser muito popular para alguns e não para outros e assim pode acontecer com os refletores. O tamanho do objeto, a luminosidade alcançada, a magnitude limite e o poder de separação dependem basicamente somente do diâmetro da Objetiva (lente ou espelho), então refratores e refletores são equivalentes neste ponto de vista. Veja um quadro de relações fundamentais para saber sobre a luminosidade alcançada, a magnitude limite, o poder de separação.

Os dois são muito parecidos em relação a perda de luz (cerca de 15 %), assumindo um típico instrumento de 20cm em cada caso, e considerando o comprimento de onda mais sensível pelo olho, a luz perdida pela reflexão dos dois espelhos aluminizados (primário e secundário) é aproximadamente igual à luz perdida ao atravessar os dois elementos da objetiva do refrator.

Mas então, aonde reside a diferença dos dois instrumentos….

Refrator

As vantagens do Refrator são as seguintes:

Estabilidade da imagem: Em geral a imagem do refrator é mais estável, pois o seu tubo é fechado, não tendo diferença de ar dentro do tubo.

Estabilidade na distância focal: Devido ao fato de estar em um tubo fechado, não há muitas mudanças da qualidade da imagem no decorrer da observação e portanto a distância focal tende a ficar fixa. Isto é bom para medidas micrométricas e fotográficas durante a noite toda.

Redução dos efeitos de deformação: A flexão e expansão da objetiva é muito menor devido às diferenças de temperaturas durante a noite do que nos espelhos, portanto a qualidade da imagem tende a ser melhor.

Manutenção mínima: As objetivas são permanentes, desde que bem usadas. No caso dos espelhos, não, pois eles precisam de uma manutenção permanente. A aluminização tende a ficar desgastada com o passar do tempo e em grandes observatórios, a aluminização é feita anualmente. Então, num pequeno refrator, digamos, 60mm ou 80mm, a objetiva tende a ficar intacta e imóvel durante anos. Ao contrário, o refletor, com o simples carregamento inadequado já pode desalinhar todo o sistema óptico, aliás a maioria dos instrumentos refletores que eu vi, que foram utilizados pra baixo e pra cima, se desalinharam. O refrator não. No caso, eu possuo um refrator de 60mm que está em uso há 40 anos, e nunca desalinhou, e sua óptica está impecável.

As desvantagens do Refrator são as seguintes:

Acromatismo imperfeito: Assumindo uma objetiva que foi desenvolvida para a observação visual, ou para a radiação do comprimento de onda amarelo, onde o olho é relativamente mais sensível, ou seja este comprimento de onda converge em um foco específico. A radiação dos outros comprimentos de onda, especialmente os curtos (violeta), converge em diferentes focos. Então, este instrumento faz uma seleção para o amarelo (ou seja o cromatismo). A melhor maneira de se corrigir isso introduz outras desvantagens, ele requer uma superfície altamente curva e um terceiro elemento óptico na objetiva, que são difíceis de serem confeccionados e caríssimos, triplicando o preço do instrumental, são os famosos tripletos apocromáticos, que são de excelente qualidade, mas a um altíssimo custo.

Dimensões inconvenientes: A fim de se reduzir o cromatismo dos refratores, precisamos fazer distâncias focais muito longas, de 15 a 20 vezes o tamanho da abertura óptica. Para uma objetiva de 20cm teremos tubos de 3 a 4 metros de comprimento, o que se torna inviável para o amador. O telescópio se torna pesado e caro. O refrator do Observatório de São Carlos (CDA) com 20 cm de objetiva e 3 metros de distância focal, é uma beleza histórica.

Dificuldade na construção: Os vidros usados nas objetivas precisam ser de excelente qualidade óptica, e poucos ópticos se aventuram a fazê-los. Isto se torna muito caro para refratores acima de 15cm.

Alto custo: Em geral as boas objetivas saem de 4 a 10 vezes mais caras que o equivalente espelho refletor, e este investimento não pode ser justificado para um principiante. Se você pretende ter um refrator de 20cm, o que para um refletor é facilmente viável, então terá que pensar no tubo, que vai ser longo e pesado, na montagem que começa a ser grande e também pesada, no acompanhamento sideral de todo este conjunto, e no abrigo do instrumental, e você terá que dispensar muito dinheiro.

Refletor

As vantagens do Refletor são as seguintes:

Acromatismo perfeito: O comprimento focal é totalmente idêntico para todos os comprimentos de onda. A refletância do espelho é muito alta e uniforme para todo o espectro visível.

Dimensões pequenas: O tubo é bem menor, em um fator de dois comparados aos refratores de igual abertura. Aqui a montagem se torna mais estável, a instalação mais simples, e o movimento do tubo é controlado mais facilmente. Principalmente quando se trata dos Cassegrains.

Baixo custo: O amador pode ter um refletor de 10 a 20 cm a baixo custo, ou mesmo pode se empenhar em fazer o seu próprio espelho e instrumento. Para amadores que possuem telescópios refletores de 30 a 60cm, o mesmo seria totalmente inviável para os refratores do mesmo porte.

As desvantagens do Refletor são as seguintes:

Obstrução do feixe de luz pelo espelho secundário: Perda de luz atribuída ao espelho secundário é em geral sem importância, contudo, a obstrução do suporte (aranha), pode alterar a figura de difração. Assumindo um espelho secundário de 1/4 do diâmetro do espelho primário, a intensidade do primeiro anel de difração pode ser reduzida em até 15 %. Além disso, os suportes que prendem o espelho secundário podem produzir vários feixes de luz (linhas brilhantes radiantes) em torno de uma estrela brilhante. A mudança no desenho de difração não pode ser negligenciada, especialmente na observação de planetas. Há astrônomos que reduzem o secundário em até 1/8 do tamanho do primário para minimizar o efeito de difração e assim poder usá-lo na observação de planetas. É por isso que os refratores são mais bem sucedidos para a observação planetária.

Campo reduzido: O telescópio refletor clássico tem uma perfeita imagem somente em um eixo. Para um trabalho visual o campo do telescópio as vezes não é suficientemente grande.

Tipos de oculares requeridas: Para um espelho menor do que F/6, uma ocular de curta distância focal (ocular de 8mm) terá que ser usada para se obter uma maior ampliação. Contudo, a imagem boa está reduzida a um eixo muito estreito do campo e para uma melhor performance óptica (neste aumento) teremos que ter oculares ortoscópicas, que são muito caras. Em geral esses telescópios são usados com pouco aumento (oculares de 30 a 40mm) e para observar aglomerados de estrelas, nebulosas, núcleos de cometas, para planetas recomenda-se refratores.

Efeito de convecção (turbilhamento de ar no telescópio): Isto é muito sério, podendo ser a maior desvantagem em algumas áreas de observação. A convecção dentro do tubo é muito difícil de ser eliminada completamente. Se o telescópio está em um abrigo, recomenda-se a abertura deste abrigo até uma hora antes da observação para o equilíbrio térmico. Com o refletor é mais difícil de ver a imagem ideal de difração da estrela do que com um refrator de igual diâmetro. A observação de planetas é muito mais difícil porque o momento de visibilidade ótima e tranquila é pouco frequente, e quanto maior o diâmetro do refletor, maiores serão as imperfeições sentidas nas imagens. Por isso, para a observação de planetas que é acessível a refletores de 20cm, podem ser melhores observados do que com os de 40 ou 60 cm, nessas condições. Contudo, o que pode ser feito é fechar o telescópio hermeticamente, para reduzir este efeito. Há uma série de telescópios no mercado, de 20 a 40cm, que estão sendo confeccionados em tubos fechados com uma lente paralela na boca, são os Schmidt-Cassegrain (Figura 3b). Além disso os seus espelhos terão uma maior durabilidade.

Efeito de distorção dos espelhos: Distorções térmicas e mecânicas podem introduzir a aberração esférica. Mas, isto é mais sensível para telescópios de maior porte. Telescópios de até 25cm isto é quase desprezível.

Aluminização: Se o espelho for prateado e usado sem nenhuma proteção, ele terá que ser reprateado a cada seis meses. Porém, o mais comum e mais barato é a aluminização do espelho, que elimina este inconveniente. Uma aluminização bem feita pode durar até 5 anos, mantendo a alta refletividade em todo este período. No maior observatório do País, o LNA, é feita a aluminização a cada ano em todos os três telescópios (1,60m e dois de 0.60m).

Efeito da Umidade: No decorrer da noite o telescópio fica suscetível ao sereno e ao orvalho da noite. Em geral, os refletores tendem a ficar com os tubos e espelhos molhados, e isto não pode acontecer de jeito nenhum, pois se você deixar o espelho úmido, molhado, este produzirá manchas e prejudicará sua qualidade, e dificilmente você conseguirá remover estas manchas, podendo até estragar a aluminização. No caso dos refratores, estes também ficam úmidos, porém a sua limpeza é muito mais fácil, e com cuidado, você não terá maiores problemas. Às vezes, os amadores usam uma cinta ao redor dos tubos dos refletores, esta cinta tem uma resistência que aquece a boca do instrumental a fim de minimizar o orvalho no tubo e no espelho.

Conclusão Prática: O Telescópio Padrão

Para um estudo geral do céu, como simples curiosidade, o observador não precisará mais do que um refrator de 60mm ou um refletor de 100mm, ambos com o mesmo custo aproximadamente. Tais instrumentos não apresentam o mínimo problema para serem usados, desde que sua óptica seja de boa qualidade. Porém, um refrator um pouco maior digamos, de 100mm, é sem dúvida um belo instrumento, e para a observação planetária e lunar será uma maravilha, contudo um novo refletor de 150mm pode equivaler, guardando as devidas comparações, para um estudo sem muitas pretensões, ao refrator de 100mm, só que a um custo muito menor.

Para certos trabalhos, no entanto, um maior instrumental será necessário, por exemplo, para observação de interessantes detalhes planetários, estudo de fracas estrelas variáveis, resolver estrelas duplas cerradas e desfrutar boas imagens de nebulosas.

Adquirir um belíssimo grande refrator de 20 cm de diâmetro, será muito difícil, para o principiante, e mesmo para o amador experiente. Possivelmente para se medir a separação de estrelas duplas, um grande refrator, é preferido, não porque sua distância focal é mais estável, mas porque a imagem de difração é facilmente vista. Para outros usos poderemos muito bem utilizar um refletor, que é mais fácil de montar é muito mais barato.

Um amador com um refletor de 15cm poderá empregá-lo a diversas áreas da astronomia amadora, onde pode ser montado em uma montagem azimutal bem simples e barata, pesando cerca de uns 10 kg. Já montagens equatoriais são mais pesadas e difíceis de serem construídas. As montagens equatoriais só se justificam se você for acompanhar o objeto por vários minutos, no caso de uma fotografia, porque para observações rápidas, as montagens azimutais servem muito bem e são drasticamente mais baratas. Obviamente estou falando do começo, depois que você pegar o gosto pela Astronomia e quiser ir mais além, uma montagem motorizada e com ajustes finos começa a ser fundamental.

Se considerarmos grandes diâmetros, o amador terá que lembrar que terá limitação da qualidade da imagem imposta pelas condições atmosféricas no sítio de observação. Por exemplo, não é possível você usar efetivamente um telescópio de 20 cm através da janela de sua casa, ou mesmo na varanda, aí um de 25cm será um limite máximo. Você não poderá deixar seu instrumental para fora ao ar livre, tomando Sol, chuva, vento, e construir um abrigo para ele será , no entanto muito caro. É claro que estou falando de um instrumento para um iniciante que não pretende gastar aí, mais do que uns 500 dólares.

Para instrumentos mais caros e maiores como os Refletores acima de 25 cm ou Schmidt-Cassegrain de 25 – 40 cm, ou refratores de 10 -15 cm, um bom abrigo se justifica, mas o custo disso é muito alto ainda para o iniciante.

Devido a estas considerações, a SAF ( Société Astronomique de France) especificou um perfil para o padrão de um telescópio amador (Figura 4):

Fig. 4: Telescópio Amador padrão da SAF, de 20cm F/6.

Será um refletor: Muito mais fácil de se construir, e muito menor do que os refratores de igual diâmetro.

Será um Newtoniano: Muito mais fácil para o iniciante e muito mais barato do que o Cassegrain, pois o alinhamento dos espelhos será mais fácil para o Newtoniano.

Será de 15 cm ou 20 cm: É um bom compromisso entre o poder de resolução, magnitude limite e facilidade de construção.

Será de F/6 a F/8: É uma boa relação focal para o iniciante, pois permite observar desde planetas até os aglomerados, além disso o tubo do telescópio fica relativamente pequeno. Para um telescópio de 15 cm de diâmetro e F/6, teremos um tubo de 90cm.

Será uma montagem altazimutal: Aqui eu considerarei que o iniciante não pretenderá fazer astrofotografias, e que para uma observação visual, ele poderá se virar razoavelmente bem, sem precisar do acompanhamento sideral, e a baixo custo. Neste caso ele poderá optar em fazer uma montagem Dobsoniana, Veja Figura 5 abaixo.

Fig. 5: Telescópio Refletor de 254mm de diâmetro e distância focal de 1130mm (F/4,5).

Apesar de eu achar que um telescópio como o descrito acima é uma boa relação custo benefício, não devemos de forma alguma descartar os refratores, que estimo muito, tenho dois de 60 mm e um de 80 mm e só recentemente estou terminando um Cassegrain de 20 cm e um Newtoniano de 12 cm. Fica as vezes a gosto do Amador e mesmo do que ele pretende pesquisar, a escolha dos instrumentos.

Um refrator de 60 mm pode muitas vezes ter um custo baixo, em torno de 150 dólares, e com isso você poderá observar as crateras da Lua, os satélites de Júpiter, os anéis de Saturno, alguns aglomerados e com o devido cuidado o Sol.

Eu tenho utilizado um refrator de 60mm a mais de 15 anos, na observação solar, e sua imagem é muito boa. Porém, o iniciante terá que tomar cuidado, pois há muita porcaria no mercado.

Por isso acho que as vezes é muito bom o iniciante adquirir um bom refletor feito caseiramente e a custos baixíssimos.

Porém, devido ao preço, às vezes é melhor, mesmo para a observação planetária, adquirir um refletor newtoniano de 150 mm ao invés de um refrator de 60mm (que pode ter o mesmo valor).

Caso você queira gastar um pouco mais e já tenha experiência com telescópios, eu sugiro um Cassegrain, pois, com um de 200 mm você terá quase uma performance de um refrator de 120mm, para a observação planetária.

Por fim independente do instrumental, ele terá que ter uma boa óptica e uma montagem bem estável, caso contrário você ficará muito decepcionado e não o usará completamente.

Informações sobre o autor do artigo:

• Ednilson Oliveira: Chefe da Escola Municipal de Astrofísica do Planetário de São Paulo, Bacharel em Física pela UFCar, Mestre em Astrofísica pelo IAG/USP, Doutorando em Astrofísica pela USP ( Universidade de São Paulo ).

Links sobre montagens e telescópios:

• O Nosso Telescopio Dobsoniano (CDA): Construa o seu Dobsoniano