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    Ottimizzazione delle operazioni per una visione senza precedenti dell'universo

    I ricercatori della Princeton University e dell'Università di Washington hanno sviluppato uno scheduler automatizzato per il Large Synoptic Survey Telescope, che è in costruzione sulla remota cresta del Cerro Pachón nelle Ande cilene. Credito:M. Park/Inigo Films/LSST/AURA/NSF

    In costruzione su un remoto crinale delle Ande cilene, il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) vanterà la più grande fotocamera digitale del mondo, aiutando i ricercatori a rilevare oggetti ai margini del sistema solare e ottenere informazioni sulla struttura della nostra galassia e sulla natura dell'energia oscura.

    Questo straordinario potere sta attirando decine di ricercatori in tutto il mondo, ciascuno con le proprie esigenze di osservazione e tempistiche e tutti alle prese con sporadiche coperture nuvolose e altre condizioni variabili. In breve, una grande sfida di programmazione.

    Un programmatore di telescopi automatizzato sviluppato dai ricercatori dell'Università di Princeton e dell'Università di Washington mira a massimizzare l'efficienza dell'LSST nell'arco delle sue operazioni, attualmente previsto per 10 anni a partire dal 2023.

    La squadra comprende Elahesadat Naghib, che ha recentemente conseguito un dottorato di ricerca. nel Dipartimento di ricerca operativa e ingegneria finanziaria di Princeton, e il professor Robert Vanderbei.

    Poiché vari gruppi di ricercatori richiederanno immagini di diverse parti del cielo scattate a intervalli specifici, disse Naghib, alcuni astronomi hanno scherzato "che l'obiettivo del progetto è di mantenere tutti ugualmente infelici". Lei e i suoi colleghi si sono sforzati per l'equità nell'elaborazione di un algoritmo per lo schedulatore automatizzato, lei disse.

    La richiesta delle immagini di LSST nella comunità di ricerca internazionale rende necessaria una soluzione flessibile, schedulatore oggettivo particolarmente acuto.

    I ricercatori della Princeton University e dell'Università di Washington hanno sviluppato uno scheduler automatizzato per il Large Synoptic Survey Telescope, che è in costruzione sulla remota cresta del Cerro Pachón nelle Ande cilene. Credito:M. Park/Inigo Films/LSST/AURA/NSF

    "Costruire un telescopio con un campo visivo davvero ampio e un'alta risoluzione, e metterlo in un deserto del Cile dove il tempo è quasi sempre bello, è stupefacente, " disse Vanderbei. "Nel mondo dell'astronomia, tutti sono entusiasti di LSST. È la cosa principale".

    "Scruteremo quanto più cielo possibile ogni notte, " ha detto il co-autore Peter Yoachim, uno scienziato del personale per l'LSST e un ricercatore presso l'Università di Washington. "Saremo in grado di vedere tutti i tipi di cose che cambiano, come le supernove che esplodono e gli asteroidi che si muovono".

    Vanderbei e Naghib hanno iniziato a lavorare sullo scheduler dopo aver sentito parlare del problema da Robert Lupton, un astronomo ricercatore senior presso il Dipartimento di Scienze Astrofisiche di Princeton. Lupton è a capo di un gruppo che crea una pipeline per la gestione delle grandi quantità di dati che raccoglierà l'LSST.

    "La scienza dipende in modo critico da come prendiamo i dati, " ha affermato Lupton. Un sofisticato programmatore consente alla comunità di ricerca di "fare un passo indietro e guardare i problemi a livello globale, " consentire progressi su obiettivi scientifici concorrenti.

    Lo scheduler raccoglierà dati in tempo reale su fattori tra cui copertura nuvolosa, luminosità del cielo e "seeing" astronomico:la quantità di scintillio delle stelle causato dall'atmosfera terrestre, che possono influenzare la risoluzione delle immagini del telescopio. Mentre la copertura nuvolosa è relativamente rara nel sito LSST nel deserto di Atacama, uno dei luoghi più aridi della Terra, le nuvole sono ancora una preoccupazione per il funzionamento del telescopio.

    In ogni momento della notte, queste misurazioni aiuteranno un algoritmo decisionale a determinare dove nel cielo dovrebbe puntare il telescopio e quale filtro dovrebbe usare per catturare un'immagine. L'LSST utilizzerà sei filtri che consentono la trasmissione di diverse lunghezze d'onda della luce, che vanno dall'ultravioletto al vicino infrarosso. Gli spettri di luce emessi da elementi astronomici come le supernovae, o stelle che esplodono, possono rivelare informazioni chiave sulla loro origine e composizione chimica.

    Questa simulazione video mostra come un algoritmo di pianificazione sviluppato dai ricercatori della Princeton University e dell'Università di Washington consentirebbe al Large Synoptic Survey Telescope di osservare l'intero cielo meridionale ogni tre notti. La simulazione mostra quali punti nel cielo il telescopio avrebbe osservato nel corso di sei notti, utilizzando i dati meteorologici registrati dal 28 giugno al 3 luglio, 2015. L'algoritmo dà una priorità inferiore ai punti osservati durante la notte precedente (blu scuro), così come i punti oscurati dalle nuvole, chiaro di luna o la foschia dell'orizzonte. I punti di osservazione sono contrassegnati in sei colori diversi per rappresentare filtri che consentono la trasmissione di diverse lunghezze d'onda della luce, compreso l'ultravioletto (u), visibile (g e r) e nel vicino infrarosso (i, z e y). Attestazione:Elahesadat Naghib

    La maggior parte degli schedulatori esistenti per i telescopi terrestri assegnano determinati periodi di tempo all'osservazione di diverse regioni del cielo in base alle proposte di gruppi di astronomi, e utilizzano algoritmi che controllano solo se un'area di interesse è in condizioni accettabili, ad esempio, deve essere sufficientemente visibile sopra l'orizzonte.

    Con una sequenza così predeterminata, il telescopio non avrebbe modo di tenere conto di problemi come la copertura nuvolosa, disse Naghib, l'autore principale dello studio. "Ma poiché stiamo prendendo una decisione in tempo reale, l'LSST può effettivamente valutare le nuvole ed essere in grado di continuare a osservare, considerando che in precedenza avrebbero dovuto chiudere l'intero osservatorio quando la notte era nuvolosa, " lei disse.

    Oltre a tenere conto del tempo e di altre condizioni variabili, lo schedulatore incorpora informazioni sul tempo necessario al telescopio per ruotare da un campo visivo all'altro. L'ottimizzazione dell'efficienza di questi movimenti è particolarmente importante per l'LSST perché cambierà posizione più velocemente rispetto ai telescopi precedenti, rendendo fondamentale evitare di sprecare potenziale tempo di osservazione. Ogni notte, lo scheduler darà priorità ai punti del cielo non osservati durante la notte precedente, consentendo al telescopio di osservare l'intero cielo meridionale ogni tre notti.

    L'algoritmo mirerà anche a soddisfare i requisiti di osservazione specifici per quattro grandi aree definite del cielo visibili dalla posizione dell'LSST. Per esempio, la regione conosciuta come Sperone dell'Eclittica Settentrionale include oggetti nel nostro sistema solare. Distinguere i movimenti di asteroidi e altre caratteristiche del sistema solare da fenomeni più distanti nello stesso campo visivo richiede l'uso di immagini accoppiate prese a 20 minuti di distanza.

    "Una delle sfide in questo progetto è che diverse regioni del cielo hanno vincoli diversi e obiettivi diversi, e dobbiamo rispettare tutti quelli in base a ciò che richiedono, " ha spiegato Naghib, che ha trascorso un semestre a lavorare con gli astronomi dell'Università di Washington per perfezionare le funzioni dello scheduler.

    Altre caratteristiche dello scheduler includono la capacità di recuperare da interruzioni tecniche, tanto atteso quanto inaspettato, e flessibilità incorporata che consente ai ricercatori di adattare l'algoritmo al cambiamento degli obiettivi scientifici. Fornisce un quadro che può essere applicato ad altri telescopi in futuro, disse Naghib.

    Questo lavoro costituisce la base per lo scheduler di LSST, che gli ingegneri del software del progetto stanno lavorando per implementare in preparazione dei test e delle verifiche iniziali del telescopio nel 2021.


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