優(yōu)化操作 實現(xiàn)前所未有的宇宙觀

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

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

該團隊成員包括最近獲得博士學位的Elahesadat Naghib。普林斯頓大學運籌學和金融工程系，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LSST研究科學家兼研究科學家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系的高級研究天文學家羅伯特·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領導的一個小組創(chuàng)建了一個管道，用于處理LSST將收集的大量數(shù)據(jù)。

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

調(diào)度員將收集有關因素的實時數(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地點云層覆蓋相對罕見，但云仍然是望遠鏡操作的關注點。

在夜晚的每個時刻，這些測量將有助于決策算法確定望遠鏡應該指向天空的哪個位置以及應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。天文學特征(如超新星或爆炸恒星)發(fā)出的光譜可以揭示有關其起源和化學成分的關鍵信息。

基于地面望遠鏡的大多數(shù)現(xiàn)有調(diào)度器根據(jù)天文學家團隊的建議分配設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，按照這樣一個預定的順序，望遠鏡無法解決諸如云層覆蓋等問題。“但是因為我們正在做出實時決定，所以LSST實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)度器還包含有關望遠鏡從一個視場旋轉到另一個視場所需的時間長度的信息。優(yōu)化這些運動的效率對于LSST尤其重要，因為它將比以前的望遠鏡更快地改變位置，因此避免浪費潛在的觀察時間至關重要。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，使望遠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動與同一視野中的更遠距離現(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，我們必須根據(jù)他們的需要尊重所有這些，”Naghib解釋說，他在大學期間與天文學家一起學習了一個學期。華盛頓改進調(diào)度程序的功能。

調(diào)度程序的其他功能包括從預期和意外的技術中斷中恢復的能力，以及允許研究人員在科學目標發(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用于其他望遠鏡的框架。

這項工作構成了LSST調(diào)度程序的基礎，該項目的軟件工程師正在努力實施，以準備2021年望遠鏡的初始測試和驗證。