[論文レビュー] A telescope control and scheduling system for the Gravitational-wave Optical Transient Observer

M. Dyer|White Rose eTheses Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Mar 13, 2020

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、重力波イベントの電磁気的対応を検出するため、複数のロボット望遠鏡を制御する完全に自律的なソフトウェアフレームワーク、GOTO望遠鏡制御システム（G-TeCS）を提示する。リアルタイムスケジューリング、天候モニタリング、自己修復型ハードウェア、マルチメッセンジャー警報の統合を可能とし、将来的なグローバル展開に向けたコンmissioningとシミュレーションベースの最適化を実証した。

ABSTRACT

The detection of the first electromagnetic counterpart to a gravitational-wave signal in August 2017 marked the start of a new era of multi-messenger astrophysics. An unprecedented number of telescopes around the world were involved in hunting for the source of the signal, and although more gravitational-wave signals have been since detected, no further electromagnetic counterparts have been found. In this thesis, I present my work to help build a telescope dedicated to the hunt for these elusive sources: the Gravitational-wave Optical Transient Observer (GOTO). I detail the creation of the GOTO Telescope Control System, G-TeCS, which includes the software required to control multiple wide-field telescopes on a single robotic mount. G-TeCS also includes software that enables the telescope to complete a sky survey and transient alert follow-up observations completely autonomously, whilst monitoring the weather conditions and automatically fixing any hardware issues that arise. I go on to describe the routines used to determine target priorities, as well as how the all-sky survey grid is defined, how gravitational-wave and other transient alerts are received and processed, and how the optimum follow-up strategies for these events were determined. The GOTO prototype, situated on La Palma, saw first light in June 2017. I detail the work I carried out on the site to help commission the prototype, and how the control software was developed during the commissioning phase. I also analyse the GOTO CCD cameras and optics, building a complete theoretical model of the system to confirm the performance of the prototype. Finally, I describe the results of simulations I carried out predicting the future of the GOTO project, with multiple robotic telescopes on La Palma and in Australia, and how G-TeCS might be modified to operate these telescopes as a single, global observatory.

研究の動機と目的

• 重力波光学的瞬時観測者（GOTO）プロジェクトのスケーラブルで自律的な望遠鏡制御およびスケジューリングシステムの開発を目的とする。
• ロボット望遠鏡ネットワークを用いて、重力波およびその他の瞬時的警報に迅速に対応できるようにすることを目的とする。
• 単一のスケジューリングフレームワークの下で、全天調査と瞬時的追跡観測の両方を統合することを目的とする。
• リアルタイムの天候モニタリングと自動ハードウェア障害回復により、システムのレジリエンスを確保することを目的とする。
• La Palmaおよびオーストラリアの望遠鏡を含む将来的なグローバル展開をモデル化・最適化することを目的とする。

提案手法

• 1台のロボットマウントに複数の広視野望遠鏡を制御するためのモジュラーなソフトウェアスタック、G-TeCSの設計および実装。
• 重力波（LVC）、ガンマ線（Fermi/Swift）、その他の瞬時的施設からのリアルタイム警報受信を統合。
• GOTOタイルマッピングを用いた天の川スクリーングリッドの開発により、すべての観測において一貫したサイクル追跡を可能にした。
• イベントの種別、局在精度、天球カバレッジに基づいて動的に観測タスクを割り当てる優先度ベースのスケジューラーの実装。
• ハードウェアステータスを監視し、露出エラー、マウントの問題などの障害から自動で回復する自己修復システムの構築。
• リアルな条件下で観測サイクル、調査効率、応答時間をモデル化するためのシミュレーションフレームワークの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの制御システムが、全天空調査と瞬時的追跡観測の両方を効率的に管理するには、どのように複数のロボット望遠鏡を制御できるか？
• RQ2 重力波対応の検出確率を最大化しつつ、調査サイクルを維持するには、どのようなスケジューリング戦略が最適か？
• RQ3 複数の施設（例：FermiとSwiftのGRBトリガー）からの重複する警報を、重複観測を回避するためにどのように知的に優先順位付けできるか？
• RQ4 将来的に複数のサイトにまたがるグローバルGOTOネットワークをサポートするために、スケジューラーにどのような変更が必要か？
• RQ5 長時間にわたる観測中に、ハードウェアおよび環境的障害から自律的に回復するには、どのようにシステムを設計できるか？

主な発見

• G-TeCSシステムは、2017年6月にラ・パルマでのGOTO望遠鏡初光を成功裏に実現し、以降も稼働を続けている。
• システムはスケジューリング、天候モニタリング、自己修復において完全な自律性を達成し、観測中の人的介入を大幅に削減した。
• シミュレーションにより、重力波追跡観測を全天空調査サイクルに統合することで、カバレッジを損なわず全体の調査効率が向上することが確認された。
• システムは、Swiftなどの高精度局在警報をFermiなどの広範囲警報よりも優先することで、重複観測を著しく削減し、高確率領域への応答を迅速化できることを示した。
• G-TeCSスケジューラーは、シミュレーションベースのチューニングにより最適化され、瞬時的イベントに対する性能向上と応答時間の短縮が実証された。
• コードベースは、より広範な再利用を目的として一般化されており、他のロボット望遠鏡プロジェクト向けにオープンソースで、Astropy互換のPythonパッケージとしてリリースする計画である。