Under uppbyggnad på en avlägsen ås i de chilenska Anderna, Large Synoptic Survey Telescope (LSST) kommer att ståta med världens största digitalkamera, hjälpa forskare upptäcka föremål på solsystemet kant och få insikt i strukturen av vår galax och vilken typ av mörk energi.

Denna extraordinära kraft lockar mängder av forskare över hela världen, var och en med sina egna observationsbehov och tidsskalor och alla brottas med sporadiskt molntäcke och andra varierande förhållanden. Kortfattat, en stor schemaläggningsutmaning.

En automatiserad teleskop schemaläggare utvecklats av forskare vid Princeton University och University of Washington syftar till att maximera Lsst effektivitet över loppet av sin verksamhet, för närvarande planerad för 10 år med början 2023.

I teamet ingår Elahesadat Naghib, som nyligen tog en Ph.D. vid Princetons avdelning för operationsforskning och finansteknik, och professor Robert Vanderbei.

Eftersom olika grupper av forskare kommer att kräva bilder av olika delar av himlen tagna med specifika intervall, sa Naghib, några astronomer har skämtat "att målet med projektet är att hålla alla lika olyckliga." Hon och hennes kollegor strävade efter rättvisa när de tog fram en algoritm för den automatiserade schemaläggaren, Hon sa.

Efterfrågan på LSST:s bilder i det internationella forskarsamhället gör behovet av en flexibel, objektiv schemaläggare särskilt akut.

"Att bygga ett teleskop med ett riktigt brett synfält och hög upplösning, och lägga den i en öken i Chile där vädret är bra nästan hela tiden, är fantastiskt, sade Vanderbei. I astronomivärlden, alla är entusiastiska över LSST. Det är huvudsaken."

"Vi kommer att skanna så mycket av himlen vi kan varje natt, " sa medförfattaren Peter Yoachim, en stabsforskare för LSST och en forskare vid University of Washington. "Vi kommer att kunna se alla möjliga saker som förändras, som supernovor som exploderar och asteroider som rör sig."

Vanderbei och Naghib började arbeta med schemaläggaren efter att ha hört om problemet från Robert Lupton, en senior forskningsastronom vid Princetons institution för astrofysiska vetenskaper. Lupton leder en grupp som skapar en pipeline för att hantera de enorma mängder data som LSST kommer att samla in.

"Vetenskapen beror kritiskt på hur vi tar data, " sa Lupton. En sofistikerad schemaläggare tillåter forskarvärlden att "ta ett steg tillbaka och titta på problem globalt, " möjliggöra framsteg mot konkurrerande vetenskapliga mål.

Schemaläggaren kommer att samla in realtidsdata om faktorer inklusive molntäcke, himlens ljusstyrka och astronomiska "seende" - mängden stjärntindrande som orsakas av jordens atmosfär, vilket kan påverka upplösningen på teleskopbilder. Medan molntäcke är relativt sällsynt på LSST-platsen i Atacamaöknen, en av de torraste platserna på jorden, moln är fortfarande ett bekymmer för teleskopets funktion.

I varje ögonblick av natten, dessa mätningar kommer att hjälpa en beslutsalgoritm att avgöra var på himlen teleskopet ska peka och vilket filter det ska använda för att ta en bild. LSST kommer att använda sex filter som tillåter överföring av olika våglängder av ljus, som sträcker sig från ultraviolett till nära infrarött. Ljusspektra som sänds ut av astronomiska egenskaper som supernovor, eller exploderande stjärnor, kan avslöja nyckelinformation om deras ursprung och kemiska sammansättning.

De flesta befintliga schemaläggare för markbaserade teleskop fördela inställda mängder tid att observera olika regioner i himlen efter förslag från grupper av astronomer, och använder algoritmer som endast kontrollerar om ett intresseområde är i acceptabla förhållanden – till exempel, Det måste vara tillräckligt synlig ovanför horisonten.

Med en sådan förutbestämd sekvens, teleskopet skulle inte ha något sätt att ta hänsyn till problem som molntäcke, sa Naghib, studiens huvudförfattare. "Men eftersom vi fattar ett beslut i realtid, LSST kan faktiskt utvärdera molnen och kunna fortsätta observera, medan de tidigare var tvungna att stänga av hela observatoriet när natten var molnig, " Hon sa.

Förutom redovisning av väder och andra varierande förhållanden, schemaläggaren innehåller information om hur lång tid det tar för teleskopet att rotera från ett synfält till ett annat. Att optimera effektiviteten av dessa rörelser är särskilt viktigt för LSST eftersom den kommer att ändra position snabbare än tidigare teleskop, vilket gör det viktigt att undvika att slösa bort potentiell observationstid. Varje natt, schemaläggaren kommer att prioritera punkter på himlen som inte observerades under föregående natt, gör det möjligt för teleskopet att observera hela södra himlen var tredje natt.

Algoritmen kommer också att syfta till att uppfylla specifika observationskrav för fyra definierade stora områden på himlen som är synliga från LSST:s plats. Till exempel, regionen som kallas North Ecliptic Spur inkluderar objekt i vårt solsystem. För att skilja asteroiders och andra solsystems rörelser från mer avlägsna fenomen i samma synfält krävs att man använder parade bilder tagna med 20 minuters mellanrum.

"En av utmaningarna i det här projektet är att olika regioner på himlen har olika begränsningar och olika mål, och vi måste respektera alla dessa baserat på vad de kräver, " förklarade Naghib, som tillbringade en termin och arbetade med astronomer vid University of Washington för att förfina schemaläggarens funktioner.

Andra funktioner i schemaläggaren inkluderar möjligheten att återhämta sig från tekniska avbrott, både förväntat och oväntat, och inbyggd flexibilitet som gör det möjligt för forskare att justera algoritmen när de vetenskapliga målen förändras. Det ger ett ramverk som kan tillämpas på andra teleskop i framtiden, sa Naghib.

Detta arbete ligger till grund för LSST:s schemaläggare, som projektets mjukvaruingenjörer arbetar med att implementera inför teleskopets första testning och verifiering 2021.