优化操作 实现前所未有的宇宙观

大型天气测量望远镜(LSST)正在智利安第斯山脉的一个偏远山脊上建造，将拥有世界上最大的数码相机，帮助研究人员探测太阳系边缘的物体，深入了解星系的结构和黑暗的本质。能源。

这种非凡的力量吸引了全世界的大量研究人员，每个人都有自己的观察需求和时间尺度，并且都在与零星的云层覆盖和其他可变条件相抗衡。简而言之，是一项重大的调度挑战。

由普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员开发的自动望远镜调度器旨在最大限度地提高LSST在其运行范围内的效率，目前计划从2023年开始实施10年。

该团队成员包括最近获得博士学位的Elahesadat Naghib。普林斯顿大学运筹学和金融工程系，以及Robert Vanderbei教授。

Naghib说，由于各组研究人员需要在特定的时间间隔拍摄天空不同部分的图像，一些天文学家开玩笑说“该项目的目的是让每个人都同样不高兴。” 她说，她和她的同事们在为自动化调度程序设计算法时努力做到公平。

在国际研究界对LSST图像的需求使得对灵活，客观的调度程序的需求尤为迫切。

“建造一个拥有非常宽视野和高分辨率的望远镜，并把它放在智利的沙漠中，这里的天气几乎一直都很好，”Vanderbei说。“在天文学的世界里，每个人都对LSST感到兴奋。这是主要的事情。”

“我们将尽可能多地扫描每天晚上的天空，”共同作者，华盛顿大学LSST研究科学家兼研究科学家Peter Yoachim说。“我们将能够看到各种变化的东西，比如爆炸的超新星和移动的小行星。”

在普林斯顿天体物理科学系的高级研究天文学家罗伯特·卢普顿(Robert Lupton)听到这个问题之后，范德贝和纳吉布开始研究调度员。Lupton领导的一个小组创建了一个管道，用于处理LSST将收集的大量数据。

“科学关键取决于我们如何获取数据，”Lupton说。一个复杂的调度程序允许研究社区“退后一步，审视全球问题”，从而在竞争科学目标方面取得进展。

调度员将收集有关因素的实时数据，包括云层覆盖，天空亮度和天文“观察” - 地球大气层引起的恒星闪烁量，这些因素会影响望远镜图像的分辨率。虽然在地球上最干燥的地方之一阿塔卡马沙漠的LSST地点云层覆盖相对罕见，但云仍然是望远镜操作的关注点。

在夜晚的每个时刻，这些测量将有助于决策算法确定望远镜应该指向天空的哪个位置以及应该使用哪个滤波器来捕获图像。LSST将使用六个滤光片，可以传输不同波长的光，范围从紫外到近红外。天文学特征(如超新星或爆炸恒星)发出的光谱可以揭示有关其起源和化学成分的关键信息。

基于地面望远镜的大多数现有调度器根据天文学家团队的建议分配设定的时间来观测天空的不同区域，并使用仅检查感兴趣区域是否处于可接受条件的算法 - 例如，它必须是在地平线上充分可见。

该研究的主要作者纳吉布说，按照这样一个预定的顺序，望远镜无法解决诸如云层覆盖等问题。“但是因为我们正在做出实时决定，所以LSST实际上可以评估云层并且能够继续观察，而之前它们必须在夜晚阴天时关闭整个天文台，”她说。

除了考虑天气和其他可变条件之外，调度器还包含有关望远镜从一个视场旋转到另一个视场所需的时间长度的信息。优化这些运动的效率对于LSST尤其重要，因为它将比以前的望远镜更快地改变位置，因此避免浪费潜在的观察时间至关重要。每天晚上，调度员将优先考虑前一天晚上未观测到的天空点，使望远镜能够每三晚观察整个南部天空。

该算法还旨在满足从LSST位置可见的四个定义的大天空区域的特定观测要求。例如，称为北黄道刺的区域包括太阳系中的物体。区分小行星和其他太阳系特征的运动与同一视野中的更远距离现象，需要使用相隔20分钟拍摄的成对图像。

“这个项目的挑战之一是天空的不同区域有不同的限制和不同的目标，我们必须根据他们的需要尊重所有这些，”Naghib解释说，他在大学期间与天文学家一起学习了一个学期。华盛顿改进调度程序的功能。

调度程序的其他功能包括从预期和意外的技术中断中恢复的能力，以及允许研究人员在科学目标发生变化时调整算法的内置灵活性。Naghib说，它提供了一个可以应用于其他望远镜的框架。

这项工作构成了LSST调度程序的基础，该项目的软件工程师正在努力实施，以准备2021年望远镜的初始测试和验证。