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普林斯顿大学新闻

Optimizing operations for an unprecedented view of the universe

正在智利安地斯山脉一个偏远山脊上建造的大型天气观测望远镜(LSST)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,并深入了解我们星系的结构和暗能量的性质。

该望远镜的非凡能力吸引了世界各地的数十名研究人员,他们每个人都有自己的观测需求和时间尺度,都在与零星的云层覆盖和其他可变条件作斗争。简而言之,这是一个重大的日程安排挑战。

普林斯顿大学(Princeton University)和华盛顿大学(University of Washington)的研究人员开发了一种自动望远镜调度程序,目的是在LSST运行期间将其效率最大化。目前,LSST计划从2023年开始运行10年。该调度程序在《天文学杂志》的一篇文章中提出。

这个团队包括普林斯顿大学运筹学和金融工程系教授罗伯特·范德贝(Robert Vanderbei),以及6月4日从该系获得博士学位的埃拉赫萨达特·纳吉布(Elahesadat Naghib)。

Starry sky

大型天气观测望远镜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,并深入了解我们星系的结构和暗能量的性质。

Naghib说,由于不同的研究小组将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,这个项目的目标是“让每个人都同样不开心”。她说,在为自动调度程序设计算法时,她和同事们一直在为公平而努力。

国际研究领域对LSST图像的需求使得对灵活、客观的调度程序的需求变得尤为迫切。

范德贝说:“建造一架视野非常宽广、分辨率很高的望远镜,并把它放在智利的沙漠里,那里的天气几乎一直都很好,这真是太神奇了。”“在天文学领域,每个人都对LSST感到兴奋。这是最重要的。”

“我们将每天晚上尽可能多地扫描天空,”研究报告的合著者、LSST的科学家、华盛顿大学的研究科学家彼得·约阿希姆(Peter Yoachim)说。“我们将能够看到各种变化,比如超新星爆炸和小行星移动。”

Vanderbei和Naghib是在从普林斯顿天体物理科学系的高级研究天文学家Robert Lupton那里得知这个问题后,开始研究这个调度程序的。卢普顿领导的团队正在创建一个管道,用于处理LSST将收集的大量数据。

“科学在很大程度上取决于我们如何获取数据,”卢普顿说。一个复杂的调度程序允许研究团体“退后一步,在全球范围内查看问题”,允许在相互竞争的科学目标上取得进展。

调度器将收集包括云层、天空亮度和天文“观测”在内的实时数据。天文“观测”是指地球大气引起的恒星闪烁量,这可能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位置云层相对较少,但云层仍然是望远镜运行的一个问题。

Video simulation of sky surveillance

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Play Video: Vanderbei Telescope

这个视频模拟展示了普林斯顿大学和华盛顿大学的研究人员开发的调度算法将如何使大型天气观测望远镜每三个晚上观测整个南方天空。模拟显示了该望远镜在6个夜晚的观测过程中观测到的天空中的哪些点,使用的是2015年6月28日至7月3日的天气数据。该算法对前一晚观测到的点(深蓝色)以及被云层、月光或地平线上的薄雾遮挡的点的优先级较低。观测点用六种不同的颜色标记,以表示允许不同波长的光通过的滤光片,包括紫外线(u)、可见光(g和r)和近红外(i、z和y)。

在夜晚的每个时刻,这些测量数据将帮助决策算法确定望远镜应该指向天空的哪个位置,以及应该使用哪个过滤器来捕捉图像。LSST将使用6个滤光片,可以传输不同波长的光,范围从紫外线到近红外。像超新星这样的天文特征发出的光谱——爆炸的恒星——可以揭示它们的起源和化学成分的关键信息。

 

大多数现有的地面望远镜调度器分配一定数量的时间观察天空的不同地区基于从天文学家小组提议,并使用算法只检查一个感兴趣的区域,是否在可接受的条件下——例如,它必须足够可见在地平线上。

 

该研究的第一作者Naghib说,有了这样一个预定的序列,望远镜无法解释诸如云层覆盖等问题。她说:“但是因为我们正在做一个实时的决定,LSST实际上可以评估云层,并能够继续观测,而以前当夜晚多云的时候,他们不得不关闭整个天文台。”

除了考虑天气和其他可变条件外,调度器还包含了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LSST来说尤为重要,因为它会比以前的望远镜更快地改变位置,从而在给定的时间内进行更多的观测。每天晚上,调度器都会对前一天晚上没有观测到的天空点进行优先排序,这样望远镜就可以每三个晚上观测一次整个南方的天空。

该算法还将致力于满足从LSST位置可以看到的天空中4个大区域的特定观测要求。例如,被称为北黄道冲的区域包含了我们太阳系中的物体。要将小行星和其他太阳系特征与同一视场中较远的现象区分开来,需要使用相隔20分钟拍摄的成对图像。

“在这个项目的一个挑战是天空的不同区域有不同的约束条件和不同的目标,我们必须尊重所有的这些基于他们需要什么,”Naghib解释说,他花了一个学期与华盛顿大学的天文学家优化调度程序的功能。

调度程序的其他特性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,它提供了一个框架,将来可以应用于其他望远镜。

这项工作为LSST的调度程序奠定了基础,该项目的软件工程师正在努力实现该程序,为2021年LSST的首次测试和验证做准备。

来自华盛顿大学天文系的其他研究合作者是安德鲁·康诺利教授和研究科学家r·林恩·琼斯。

Elahesadat Naghib、Peter Yoachim、Robert J. Vanderbei、Andrew J. Connolly和R. Lynne Jones合著的《望远镜调度框架:应用于大型天气观测望远镜》3月22日发表在《天文学杂志》第157卷第4期(DOI: 10.3847/1538-3881/aafece)上。这项研究得到了美国国家科学基金会(1258333)和美国能源部(DE-AC02-76SF00515)的部分支持。