In aanbouw op een afgelegen bergkam in de Chileense Andes, de Large Synoptic Survey Telescope (LSST) zal bogen op 's werelds grootste digitale camera, helpt onderzoekers om objecten aan de rand van het zonnestelsel te detecteren en inzicht te krijgen in de structuur van onze melkweg en de aard van donkere energie.

Deze buitengewone kracht trekt tientallen onderzoekers over de hele wereld aan, elk met hun eigen observatiebehoeften en tijdschema's en allemaal kampen met sporadische bewolking en andere variabele omstandigheden. Kortom, een grote planningsuitdaging.

Een geautomatiseerde telescoopplanner, ontwikkeld door onderzoekers van de Princeton University en de University of Washington, heeft tot doel de efficiëntie van de LSST te maximaliseren gedurende de hele operatie, momenteel gepland voor 10 jaar vanaf 2023.

Het team bestaat uit Elahesadat Naghib, die onlangs een Ph.D. bij de afdeling Operations Research en Financial Engineering van Princeton, en professor Robert Vanderbei.

Omdat verschillende groepen onderzoekers foto's van verschillende delen van de lucht nodig hebben die met bepaalde tussenpozen moeten worden genomen, zei Naghib, sommige astronomen hebben grappen gemaakt "dat het doel van het project is om iedereen even ongelukkig te houden." Zij en haar collega's streefden naar eerlijkheid bij het bedenken van een algoritme voor de geautomatiseerde planner, ze zei.

De vraag naar de beelden van de LSST in de internationale onderzoeksgemeenschap maakt de behoefte aan een flexibele, objectieve planner bijzonder acuut.

"Een telescoop bouwen met een heel breed gezichtsveld en een hoge resolutie, en zet het in een woestijn in Chili waar het bijna altijd goed weer is, is fantastisch, " zei Vanderbei. "In de wereld van de astronomie, iedereen is enthousiast over LSST. Het is het belangrijkste."

"We zullen elke nacht zoveel mogelijk van de lucht scannen, " zei co-auteur Peter Yoachim, een stafwetenschapper voor de LSST en een onderzoekswetenschapper aan de Universiteit van Washington. "We zullen allerlei dingen kunnen zien die veranderen, zoals supernova's die exploderen en asteroïden die bewegen."

Vanderbei en Naghib begonnen aan de planner te werken nadat ze van Robert Lupton over het probleem hadden gehoord. een senior onderzoeksastronoom in Princeton's Department of Astrophysical Sciences. Lupton leidt een groep die een pijplijn creëert voor het verwerken van de enorme hoeveelheden gegevens die de LSST zal verzamelen.

"De wetenschap hangt kritisch af van hoe we de gegevens nemen, " zei Lupton. Een geavanceerde planner stelt de onderzoeksgemeenschap in staat "een stap terug te doen en wereldwijd naar problemen te kijken, " waardoor vooruitgang kan worden geboekt bij concurrerende wetenschappelijke doelstellingen.

De planner verzamelt realtime gegevens over factoren zoals bewolking, hemelhelderheid en astronomisch "zien" - de hoeveelheid fonkeling van sterren veroorzaakt door de atmosfeer van de aarde, die de resolutie van telescoopbeelden kunnen beïnvloeden. Hoewel bewolking relatief zeldzaam is op de LSST-locatie in de Atacama-woestijn, een van de droogste plekken op aarde, wolken zijn nog steeds een punt van zorg voor de werking van de telescoop.

Op elk moment van de nacht, deze metingen helpen een besluitvormingsalgoritme om te bepalen waar in de lucht de telescoop moet wijzen en welk filter het moet gebruiken om een ​​afbeelding vast te leggen. De LSST zal zes filters gebruiken die de transmissie van verschillende golflengten van licht mogelijk maken, variërend van ultraviolet tot nabij-infrarood. De lichtspectra uitgezonden door astronomische kenmerken zoals supernovae, of exploderende sterren, kunnen belangrijke informatie over hun oorsprong en chemische samenstelling onthullen.

De meeste bestaande planners voor telescopen op de grond wijzen vaste hoeveelheden tijd toe aan het observeren van verschillende delen van de hemel op basis van voorstellen van teams van astronomen, en gebruik algoritmen die alleen controleren of een interessegebied zich in acceptabele omstandigheden bevindt, bijvoorbeeld het moet voldoende zichtbaar zijn boven de horizon.

Met zo'n vooraf bepaalde volgorde, de telescoop zou geen rekening kunnen houden met zaken als bewolking, zei Naghib, hoofdauteur van de studie. "Maar omdat we een realtime beslissing nemen, de LSST kan de wolken daadwerkelijk evalueren en blijven observeren, terwijl ze voorheen het hele observatorium moesten sluiten als de nacht bewolkt was, " ze zei.

Naast het rekening houden met weers- en andere variabele omstandigheden, de planner bevat informatie over de tijd die de telescoop nodig heeft om van het ene gezichtsveld naar het andere te draaien. Het optimaliseren van de efficiëntie van deze bewegingen is vooral belangrijk voor de LSST omdat deze sneller van positie zal veranderen dan eerdere telescopen, waardoor het van cruciaal belang is om te voorkomen dat potentiële observatietijd wordt verspild. Elke nacht, de planner geeft prioriteit aan punten aan de hemel die de afgelopen nacht niet zijn waargenomen, waardoor de telescoop elke drie nachten de hele zuidelijke hemel kan observeren.

Het algoritme zal ook gericht zijn op het voldoen aan specifieke observatie-eisen voor vier gedefinieerde grote delen van de lucht die zichtbaar zijn vanaf de locatie van de LSST. Bijvoorbeeld, het gebied dat bekend staat als de North Ecliptic Spur bevat objecten in ons zonnestelsel. Om de bewegingen van asteroïden en andere zonnestelselkenmerken te onderscheiden van verder weg gelegen fenomenen in hetzelfde gezichtsveld, is het gebruik van gepaarde afbeeldingen nodig die met een tussenpoos van 20 minuten zijn gemaakt.

"Een van de uitdagingen in dit project is dat verschillende regio's van de lucht verschillende beperkingen en verschillende doelstellingen hebben, en we moeten die allemaal respecteren op basis van wat ze nodig hebben, " legde Naghib uit, die een semester met astronomen aan de Universiteit van Washington werkte om de functies van de planner te verfijnen.

Andere kenmerken van de planner zijn de mogelijkheid om te herstellen van technische onderbrekingen, zowel verwacht als onverwacht, en ingebouwde flexibiliteit waarmee onderzoekers het algoritme kunnen aanpassen als wetenschappelijke doelstellingen veranderen. Het biedt een raamwerk dat in de toekomst op andere telescopen kan worden toegepast, zei Naghib.

Dit werk vormt de basis voor de planner van de LSST, waaraan de software-ingenieurs van het project werken ter voorbereiding op de eerste tests en verificatie van de telescoop in 2021.