優(yōu)化操作 實(shí)現(xiàn)前所未有的宇宙觀

大型天氣測量望遠(yuǎn)鏡(LSST)正在智利安第斯山脈的一個偏遠(yuǎn)山脊上建造，將擁有世界上最大的數(shù)碼相機(jī)，幫助研究人員探測太陽系邊緣的物體，深入了解星系的結(jié)構(gòu)和黑暗的本質(zhì)。能源。

這種非凡的力量吸引了全世界的大量研究人員，每個人都有自己的觀察需求和時間尺度，并且都在與零星的云層覆蓋和其他可變條件相抗衡。簡而言之，是一項重大的調(diào)度挑戰(zhàn)。

由普林斯頓大學(xué)和華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)的自動望遠(yuǎn)鏡調(diào)度器旨在最大限度地提高LSST在其運(yùn)行范圍內(nèi)的效率，目前計劃從2023年開始實(shí)施10年。

該團(tuán)隊成員包括最近獲得博士學(xué)位的Elahesadat Naghib。普林斯頓大學(xué)運(yùn)籌學(xué)和金融工程系，以及Robert Vanderbei教授。

Naghib說，由于各組研究人員需要在特定的時間間隔拍攝天空不同部分的圖像，一些天文學(xué)家開玩笑說“該項目的目的是讓每個人都同樣不高興。” 她說，她和她的同事們在為自動化調(diào)度程序設(shè)計算法時努力做到公平。

在國際研究界對LSST圖像的需求使得對靈活，客觀的調(diào)度程序的需求尤為迫切。

“建造一個擁有非常寬視野和高分辨率的望遠(yuǎn)鏡，并把它放在智利的沙漠中，這里的天氣幾乎一直都很好，”Vanderbei說。“在天文學(xué)的世界里，每個人都對LSST感到興奮。這是主要的事情。”

“我們將盡可能多地掃描每天晚上的天空，”共同作者，華盛頓大學(xué)LSST研究科學(xué)家兼研究科學(xué)家Peter Yoachim說。“我們將能夠看到各種變化的東西，比如爆炸的超新星和移動的小行星。”

在普林斯頓天體物理科學(xué)系的高級研究天文學(xué)家羅伯特·盧普頓(Robert Lupton)聽到這個問題之后，范德貝和納吉布開始研究調(diào)度員。Lupton領(lǐng)導(dǎo)的一個小組創(chuàng)建了一個管道，用于處理LSST將收集的大量數(shù)據(jù)。

“科學(xué)關(guān)鍵取決于我們?nèi)绾潍@取數(shù)據(jù)，”Lupton說。一個復(fù)雜的調(diào)度程序允許研究社區(qū)“退后一步，審視全球問題”，從而在競爭科學(xué)目標(biāo)方面取得進(jìn)展。

調(diào)度員將收集有關(guān)因素的實(shí)時數(shù)據(jù)，包括云層覆蓋，天空亮度和天文“觀察” - 地球大氣層引起的恒星閃爍量，這些因素會影響望遠(yuǎn)鏡圖像的分辨率。雖然在地球上最干燥的地方之一阿塔卡馬沙漠的LSST地點(diǎn)云層覆蓋相對罕見，但云仍然是望遠(yuǎn)鏡操作的關(guān)注點(diǎn)。

在夜晚的每個時刻，這些測量將有助于決策算法確定望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該指向天空的哪個位置以及應(yīng)該使用哪個濾波器來捕獲圖像。LSST將使用六個濾光片，可以傳輸不同波長的光，范圍從紫外到近紅外。天文學(xué)特征(如超新星或爆炸恒星)發(fā)出的光譜可以揭示有關(guān)其起源和化學(xué)成分的關(guān)鍵信息。

基于地面望遠(yuǎn)鏡的大多數(shù)現(xiàn)有調(diào)度器根據(jù)天文學(xué)家團(tuán)隊的建議分配設(shè)定的時間來觀測天空的不同區(qū)域，并使用僅檢查感興趣區(qū)域是否處于可接受條件的算法 - 例如，它必須是在地平線上充分可見。

該研究的主要作者納吉布說，按照這樣一個預(yù)定的順序，望遠(yuǎn)鏡無法解決諸如云層覆蓋等問題。“但是因?yàn)槲覀冋谧龀鰧?shí)時決定，所以LSST實(shí)際上可以評估云層并且能夠繼續(xù)觀察，而之前它們必須在夜晚陰天時關(guān)閉整個天文臺，”她說。

除了考慮天氣和其他可變條件之外，調(diào)度器還包含有關(guān)望遠(yuǎn)鏡從一個視場旋轉(zhuǎn)到另一個視場所需的時間長度的信息。優(yōu)化這些運(yùn)動的效率對于LSST尤其重要，因?yàn)樗鼘⒈纫郧暗耐h(yuǎn)鏡更快地改變位置，因此避免浪費(fèi)潛在的觀察時間至關(guān)重要。每天晚上，調(diào)度員將優(yōu)先考慮前一天晚上未觀測到的天空點(diǎn)，使望遠(yuǎn)鏡能夠每三晚觀察整個南部天空。

該算法還旨在滿足從LSST位置可見的四個定義的大天空區(qū)域的特定觀測要求。例如，稱為北黃道刺的區(qū)域包括太陽系中的物體。區(qū)分小行星和其他太陽系特征的運(yùn)動與同一視野中的更遠(yuǎn)距離現(xiàn)象，需要使用相隔20分鐘拍攝的成對圖像。

“這個項目的挑戰(zhàn)之一是天空的不同區(qū)域有不同的限制和不同的目標(biāo)，我們必須根據(jù)他們的需要尊重所有這些，”Naghib解釋說，他在大學(xué)期間與天文學(xué)家一起學(xué)習(xí)了一個學(xué)期。華盛頓改進(jìn)調(diào)度程序的功能。

調(diào)度程序的其他功能包括從預(yù)期和意外的技術(shù)中斷中恢復(fù)的能力，以及允許研究人員在科學(xué)目標(biāo)發(fā)生變化時調(diào)整算法的內(nèi)置靈活性。Naghib說，它提供了一個可以應(yīng)用于其他望遠(yuǎn)鏡的框架。

這項工作構(gòu)成了LSST調(diào)度程序的基礎(chǔ)，該項目的軟件工程師正在努力實(shí)施，以準(zhǔn)備2021年望遠(yuǎn)鏡的初始測試和驗(yàn)證。