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    像蜂群般的太空望远镜一起工作会如何?

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      普朗克

      在未来的十年里,许多下一代仪器将进入太空并开始观测宇宙。这些将包括詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),它很可能是继大型紫外线/光学/红外测量仪(LUVOIR)、起源太空望远镜(OST)、宜居系外行星成像仪(HabEx)和Lynx x x射线测量仪之后的概念。这些任务将比以往更深入地观察宇宙,并帮助天文学家解决诸如宇宙是如何演化的以及其他恒星系统是否存在生命等问题。不幸的是,所有这些任务都有两个共同点:除了非常庞大和复杂之外,它们也非常昂贵。

      像蜂群般的太空望远镜一起工作会如何?

      在未来,望远镜可能由分布式阵列组成,而不是单一的仪器——比如美国宇航局的地面行星发现者(TPF),一个用于探测太阳系外类地行星的太空望远镜系统。图片:NASA

      因此,一些科学家提出,我们依赖于更经济有效的想法,比如蜂群望远镜。这两名科学家分别是新墨西哥大学物理和天文系的助理教授和教授(分别是)Jayce Dowell和Gregory B. Taylor。两人共同在一项名为“蜂群望远镜概念”的研究中阐述了他们的想法,该研究最近被《天文仪器杂志》所接受。

      在他们的研究中,传统天文学关注单个望远镜的建造、维护和操作。这方面的一个例外是射电天文学,那里的设施分布在广泛的地理区域,以便获得高的角度分辨率。这方面的例子包括非常长的基线阵列(VLBA)和提议的平方公里阵列(SKA)。此外,还有一个问题是望远镜如何越来越依赖于计算和数字信号处理。正如他们在研究中所解释的,望远镜通常同时进行多个观测活动,这增加了设施的操作复杂性,因为配置要求和调度考虑相互冲突。

      像蜂群般的太空望远镜一起工作会如何?

      美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜插图。图片:NASA

      道尔和泰勒认为,一种可能的解决方案是重新考虑望远镜。望远镜不是一个单一的仪器,而是由一个分布的阵列组成,在这个阵列中,许多自治的元素通过数据传输系统汇聚在一起,作为一个单独的设备。这种方法在下一代非常大的阵列(NGVLA)中尤其有用,这是一个未来的干涉仪,它将建立在卡尔·g·安斯基(Karl G. ansky)的巨大阵列和阿塔卡玛(Atacama)大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)的基础上。

      蜂群望远镜的核心是一个转变,不再把天文台看成是一个整体。相反,天文台被视为许多独立的部分,共同完成科学观测。这种转变需要将有关设施的部分决策从人工调度器和操作符转移到运行在设施每个部分上的“软件定义操作符”。然后,这些软件代理相互通信,构建动态数组来实现多个观察者的目标,同时还可以根据不同的观察条件和设备中的数组元素状态进行调整。

      这种分布式望远镜的想法是受到群体智能概念的启发,在这个概念中,一大群机器人被编程来相互作用,它们的环境来执行复杂的任务。正如他们所解释的那样,该设施归结为三个主要组成部分:自治元素控制、一种跨元素通信的方法和数据传输管理。

      在这些组件中,最关键的是自治元素控制,它控制设备的每个元素的操作。与传统的监视和控制系统相似的是,这个系统可以控制更多的机器人望远镜。总的来说,元素控制将负责确保望远镜的安全性并最大限度地利用元素。首先元素的安全性需要多个监控点和预防措施,以识别和预防问题

      第二个方向需要将观察目标与一个元素的性能联系起来的方法,以便最大限度地提高观测的数量和质量,以及在出现问题时自动恢复的方法。第二部分,元素间通信,是使单个元素聚在一起形成干涉仪的因素。这可以采取无领导系统(没有单个控制点)或组织者系统的形式,其中元素和观察队列之间的所有通信都通过一个控制点(即组织者)完成。

      像蜂群般的太空望远镜一起工作会如何?

      由新墨西哥大学操作的长波长阵列。图片:phys.unm.edu

      最后的问题是数据传输管理,可以采用基于现有望远镜的两种形式之一。这些包括完全的0ffline系统,其中的相关性是在观察后完成的——由非常长的基线阵列(VLBA)使用——到完全连接的系统,其中的相关性是实时完成的(与VLA一样)。为了他们的数组,团队强调连接性和相关性是必须的。在考虑了所有这些组件以及现有阵列如何使用它们之后,道威尔和泰勒得出结论,群体概念是机器人和思维望远镜以及干涉测量技术所取得进展的自然延伸。

      通过将人类日常的操作工作转移到自动控制系统中,它允许更有效地操作设施。这反过来又解放了工作人员,把注意力集中在望远镜的科学输出上。群体概念还可以将不同元素的未使用资源组合在一起,形成一个特别的数组。此外,蜂群望远镜将提供新的机会和资金,因为它们将由可以由不同实体拥有和操作的小元素组成。这样不同的组织就可以用自己的元素来进行科学研究,同时也可以从大规模的干涉观测中获益。

      像蜂群般的太空望远镜一起工作会如何?

      图示模块化主动自组装太空望远镜群,图片:D. Savransky

      这个概念类似于模块化的自组装太空望远镜群,它需要一群机器人在太空中组装成30米(约100英尺)的望远镜。这个概念是由美国天文学家团队提出的,该团队由康奈尔大学机械和航天工程助理教授德米特里·萨凡斯基(Dmitri Savransky)领导。这些提议是2020年天体物理学十年调查的一部分,最近被选为2018年NASA创新先进概念(NIAC)项目的一部分,用于第一阶段的开发。

      因此,尽管许多大型望远镜将在不久的将来投入使用,下一代望远镜可能包括由人工智能引导的成群机器人组成的一些阵列。这样的阵列将能够以较低的成本获得高分辨率的天文学和干涉仪,并能释放大量复杂的阵列进行其他观测。

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