Optimering af operationer for et hidtil uset syn på universet

Under opførelse på en fjerntliggende højderyg i de chilenske Andesbjerge, Large Synoptic Survey Telescope (LSST) vil prale af verdens største digitalkamera, hjælper forskere med at opdage objekter ved solsystemets kant og få indsigt i strukturen af ​​vores galakse og naturen af ​​mørk energi.

Denne ekstraordinære magt tiltrækker snesevis af forskere verden over, hver med deres egne observationsbehov og tidsskalaer og alle kæmper med sporadisk skydække og andre variable forhold. Kort sagt, en stor planlægningsudfordring.

En automatiseret teleskopplanlægger udviklet af forskere ved Princeton University og University of Washington har til formål at maksimere LSST's effektivitet i løbet af dens drift, i øjeblikket planlagt i 10 år med start i 2023.

Holdet inkluderer Elahesadat Naghib, der for nylig har opnået en ph.d. i Princeton's Department of Operations Research and Financial Engineering, og professor Robert Vanderbei.

Fordi forskellige grupper af forskere vil kræve billeder af forskellige dele af himlen taget med bestemte intervaller, sagde Naghib, nogle astronomer har joket "at formålet med projektet er at holde alle lige ulykkelige." Hun og hendes kolleger stræbte efter retfærdighed ved at udtænke en algoritme til den automatiserede planlægger, hun sagde.

Efterspørgslen efter LSST's billeder i det internationale forskningssamfund gør behovet for en fleksibel, objektiv skemalægger særlig akut.

"At bygge et teleskop med et virkelig bredt synsfelt og høj opløsning, og sætte den i en ørken i Chile, hvor vejret stort set hele tiden er godt, er fantastisk, " sagde Vanderbei. "I astronomiens verden, alle er begejstrede for LSST. Det er det vigtigste."

"Vi vil scanne så meget af himlen, som vi kan, hver nat, " sagde medforfatter Peter Yoachim, en stabsforsker for LSST og en forsker ved University of Washington. "Vi vil være i stand til at se alle mulige ting, der ændrer sig, som supernovaer, der eksploderer og asteroider, der bevæger sig."

Vanderbei og Naghib begyndte at arbejde på planlæggeren efter at have hørt om problemet fra Robert Lupton, en senior forskningsastronom i Princetons afdeling for astrofysiske videnskaber. Lupton leder en gruppe, der skaber en pipeline til håndtering af de enorme mængder data, som LSST vil indsamle.

"Videnskaben afhænger kritisk af, hvordan vi tager dataene, " sagde Lupton. En sofistikeret planlægger gør det muligt for forskersamfundet at "træde et skridt tilbage og se på problemer globalt, ", der tillader fremskridt med konkurrerende videnskabelige mål.

Planlæggeren vil indsamle realtidsdata om faktorer, herunder skydække, himmelens lysstyrke og astronomisk "se" - mængden af ​​stjerneglimt forårsaget af Jordens atmosfære, som kan påvirke opløsningen af ​​teleskopbilleder. Mens skydække er relativt sjældent på LSST-stedet i Atacama-ørkenen, et af de tørreste steder på jorden, skyer er stadig et problem for teleskopets drift.

I hvert øjeblik af natten, disse målinger vil hjælpe en beslutningsalgoritme med at bestemme, hvor på himlen teleskopet skal pege, og hvilket filter det skal bruge til at tage et billede. LSST vil bruge seks filtre, der tillader transmission af forskellige bølgelængder af lys, lige fra ultraviolet til nær-infrarødt. De lysspektre, der udsendes af astronomiske træk som supernovaer, eller eksploderende stjerner, kan afsløre nøgleoplysninger om deres oprindelse og kemiske sammensætning.

De fleste eksisterende skemalæggere til jordbaserede teleskoper tildeler faste mængder tid til at observere forskellige områder af himlen baseret på forslag fra hold af astronomer, og bruge algoritmer, der kun kontrollerer, om et interesseområde er under acceptable forhold - f.eks. det skal være tilstrækkeligt synligt over horisonten.

Med en sådan forudbestemt rækkefølge, teleskopet ville ikke have nogen måde at redegøre for problemer som skydække, sagde Naghib, undersøgelsens hovedforfatter. "Men fordi vi træffer en beslutning i realtid, LSST kan faktisk evaluere skyerne og være i stand til at blive ved med at observere, hvorimod de tidligere var nødt til at lukke hele observatoriet ned, når natten var overskyet, " hun sagde.

Ud over at tage højde for vejr og andre variable forhold, skemalæggeren inkorporerer information om, hvor lang tid det tager for teleskopet at rotere fra et synsfelt til et andet. At optimere effektiviteten af ​​disse bevægelser er især vigtigt for LSST, fordi det vil ændre positioner hurtigere end tidligere teleskoper, hvilket gør det vigtigt at undgå at spilde potentiel observationstid. Hver nat, planlæggeren vil prioritere punkter på himlen, der ikke er observeret i løbet af den foregående nat, gør det muligt for teleskopet at observere hele den sydlige himmel hver tredje nat.

Algoritmen vil også sigte mod at opfylde specifikke observationskrav for fire definerede store områder af himlen, der er synlige fra LSST's placering. For eksempel, regionen kendt som den nordlige ekliptiske spor omfatter objekter i vores solsystem. At skelne bevægelserne af asteroider og andre solsystemtræk fra fjernere fænomener i det samme synsfelt kræver brug af parrede billeder taget med 20 minutters mellemrum.

"En af udfordringerne i dette projekt er, at forskellige områder af himlen har forskellige begrænsninger og forskellige mål, og vi skal respektere dem alle baseret på, hvad de kræver, " forklarede Naghib, som brugte et semester på at arbejde med astronomer ved University of Washington for at forfine skemalæggerens funktioner.

Andre funktioner i skemalæggeren inkluderer evnen til at komme sig efter tekniske afbrydelser, både forventet og uventet, og indbygget fleksibilitet, der gør det muligt for forskere at justere algoritmen, efterhånden som videnskabelige mål ændres. Det giver en ramme, der kan anvendes på andre teleskoper i fremtiden, sagde Naghib.

Dette arbejde danner grundlag for LSST's skemalægger, som projektets softwareingeniører arbejder på at implementere som forberedelse til teleskopets indledende test og verifikation i 2021.