Kortlægning af månen og verdener udenfor

I 1972, det tog en astronaut, der skulle på rumvandring, for at gøre, hvad Lynn Carter nu kan med et par museklik over frokosten.

Carter, en planetarisk videnskabsprofessor ved University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory, peger på en lille, indrammet fotografi over hendes skrivebord. Det viser rumfartøjet Apollo 17, den sidste bemandede mission til månen, krydser højt over det grå, krateret flade nedenfor.

"Ser du den lille antenne, der stikker derude? Det var den første planetariske radar på et rumfartøj, og mens den gik rundt om månen, det pingede overfladen, " sagde hun. "Hver gang det ramte et andet klippelag, det reflekterede et signal og optog det på film."

En af de ting, Apollo 17-astronauterne fik til opgave at gøre, var at kortlægge månens overflade fra fugleperspektiv af deres kredsløb. Ud over at fotografere det åbenlyse – topografiske træk som bakker, kratere og kampesten – radarantennen tillod dem at afsløre skjulte geologiske træk under månens overflade. Radardataene blev optaget på gammeldags kassettebånd gemt under en luge, der kun var tilgængelig udefra rumfartøjet. For at hente filmen, Astronaut Ron Evans måtte tage en rumdragt på og vrikke gennem lugen på Apollo-kapslen, mens den skyndte sig gennem rummet et sted mellem månen og jorden ved næsten 25 år, 000 miles i timen.

"I dag, det er helt anderledes, " siger Carter. "Alt er digitalt, og instrumenterne har meget bedre opløsning. Vi kan se ting på Mars fra vores stue, som du ikke kunne se, selvom du selv kunne rejse dertil og stå på overfladen."

Kortlægning af andre verdener

Carter har specialiseret sig i at lave kort over det usete:ved at bruge data opnået med jordgennemtrængende radarinstrumenter, hun visualiserer og fortolker træk begravet under overfladen af ​​planetariske kroppe som månen, Mars og Venus.

Til en planetarisk videnskabsmand som Carter, kortlægning af en anden verden handler om meget mere end at finde ud af, hvad der er hvor på overfladen, og hvordan man kommer fra punkt A til punkt B (selvom navigation bliver et stadig vigtigere mål, med indsatsen for at sende astronauter til nye horisonter såsom Mars eller jordnære asteroider).

"Vi ser på planeter for at forstå, hvordan de er dannet, " Carter siger, "og også for bedre at forstå træk her på Jorden, der er blevet sløret af de meget geologiske processer, der gør vores planet speciel. At studere andre objekter i solsystemet er en måde at studere ting på, der ikke blev, som de gjorde her på Jorden."

Tag Venus, for eksempel, Jordens nabo og Carters "yndlingsplanet, " som hun gerne indrømmer. Selv med de mest kraftfulde teleskoper, vi får aldrig at se dens overflade, som er permanent afskærmet af et bølgende skysvækkelse. Indtil 1960'erne, sci-fi-romaner spekuleret i en frodig, tropiske verden dækket af jungle.

"Radar knuste den idé, da den afslørede en solid, supervarm overflade med mange vulkaner." siger Carter. "Pludselig, Venus så slet ikke gæstfri ud."

I modsætning til opdagelsesrejsende og kartografer, der vovede sig ud for at kortlægge Jorden fra land og hav, planetforskere er nødt til at kortlægge langvejs fra, ser gennem teleskoper, eller, hvis de er så heldige at få en rumfartøjsmission finansieret, fra kredsløb.

Et sofabord på Mars?

En af de mest succesrige visualiseringsmissioner er HiRISE, som ledes af UA. HiRISE er et højopløseligt billedkamera, der har fotograferet Mars med hidtil usete detaljer, mens det har kredset om den røde planet ombord på NASAs Mars Reconnaissance Orbiter i mere end 10 år. Billederne er så detaljerede, at i løbet af et årti, efter snapping 62, 712 billeder, den har dækket kun 3,5 procent af Mars overflade. Men dækning var aldrig målet – snarere, HiRISE blev sendt til Mars for at finde fremtidige landingssteder og for at give et billede, der vil hjælpe videnskabsmænd med at forstå de gamle og nutidige geologiske processer på Mars. Planeten har vist sig at være overraskende aktiv på trods af, at den er forkølet, støvet verden, der mangler pladetektonik eller et magnetfelt, og hvis atmosfære stort set svævede ud i rummet.

HiRISE, hvis øje er skarpt nok til at se et sofabord (hvis der var et) på jorden fra 180 miles over, er nu i sin femte forlængelse og still going strong. På det tidspunkt, hvor den blev lanceret, tilsvarende detaljerede kort over Jorden blev klassificeret og kun tilgængelige for personerne ved Pentagon, sagde Alfred McEwen, UA Regents' professor i planetariske videnskaber og hovedefterforsker af HiRISE.

Siden da, HiRISE har afsløret en fantastisk smuk planet. Instrumentets stereosyn, hidtil uset opløsning og gentagne billedgennemgange ændrede fuldstændigt, hvordan videnskabsmænd fortolkede tidligere billeder taget af den røde planet, siger McEwen.

"Hvad vi troede var gamle klitter, for eksempel, frosset i tid i muligvis millioner af år, viste sig at være i konstant forandring."

HiRISE har set en hel række af igangværende aktiviteter, herunder nye nedslagskratere, hvor den stødende meteorit sprængte vandis ud fra under planetens overflade, erosionsbrønde og andre funktioner, nogle så ujordiske, at planetariske geologer som McEwen stadig kæmper for at forklare deres oprindelse med sikkerhed.

"Vi bliver ved med at finde nye ting, såsom træk i polarområderne, som vi kalder edderkopper, " siger McEwen. "Vi tror, ​​de er forårsaget af kuldioxidgas, der strømmer under iskapperne, udskæring af overfladetopografien. En anden nylig opdagelse er kampesten, der langsomt bevæger sig ned ad bakke, muligvis drevet af sæsonbetinget udvidelse og sammentrækning af is under jorden."

At tage billeder er kun det første skridt i at generere et kort over en planetoverflade, der er nøjagtig nok til at tillade landere at lande uden at styrte ind i uopdagede kampesten eller forhindre robotrovere i at sidde fast i løst sand.

"For at lave et kort, du skal forstå geometrien af ​​dine billeder og mosaikere dem sammen. Og så skal du ændre perspektivet til, hvordan det ser ud lige ned, medmindre originalerne blev erhvervet på den måde, "McEwen sagde om processen kaldet ortorektifikation.

Ortorektering er nødvendig for at udlede topografien fra et billede, forklarer han. UA-forskerne, der producerede det første detaljerede atlas over månen, brugte en ret analog, men elegant enkel opsætning til at opnå dette. Disse dage, det udføres af specialuddannede menneskers skarpe øjne og sofistikeret software.

Jupiters formskiftende satellitter

Nogle af de andre udfordringer, som solsystemets kartografer står over for, er, hvordan man definerer havniveau, når dit studieobjekt ikke har et hav, eller hvordan man fastholder koordinater på et objekt, der ikke er helt sfærisk eller konstant skifter form.

"Mange af Jupiter-satellitterne er, hvad vi kalder triaksiale ellipsoider, " siger McEwen. "Deres tredimensionelle former ændrer sig med de stærke tidevandskræfter under Jupiters gravitationsfelt, og det er en rigtig udfordring, hvis du vil lave præcisionskortlægning."

At måle sådanne ændringer er interessant for sin egen skyld, imidlertid, fordi den afslører spor om de indre egenskaber af de objekter, som ellers ville være svære eller umulige at studere, tilføjer McEwen.

UA videnskabsmænd og ingeniører har skubbet feltet fremad ved at designe instrumenter og kameraer, der har fløjet på adskillige rummissioner for at kortlægge ukendt territorium, inklusive Merkur, planeten tættest på solen, Saturns måner Titan og Enceladus, og Jupiters måne Io. De arbejder også på foreslåede instrumenter til fremtidige kortlægningsprojekter, der inkluderer Jordens måne, Mars og Europa, Jupiters store måne, hvis hav under overfladen betragtes som en varm kandidat til udenjordisk liv.

Seneste, UA-forskere nærmer sig færdiggørelsen af ​​det mest detaljerede kort, der nogensinde er lavet af et solsystemlegeme, inklusive Jorden:Kameraer designet i UA scanner Bennus stenede overflade, en jordnær asteroide omtrent lige så høj som Empire State Building, og holdet fra den UA-ledede OSIRIS-REx prøvereturmission kortlagde Bennus overflade ned til tommelen. Det er en logisk forudsætning for missionen at kunne vælge et sikkert sted, hvor rumfartøjet kan lande og tage en prøve. som er klar til at returnere en prøve af uberørt asteroidemateriale til Jorden i 2023.

"På det tidspunkt, hvor vi er færdige med karakteriseringen af ​​kandidatprøvewebstederne, vi vil være i stand til at se en genstand på størrelse med en øre, " siger Daniella DellaGiustina, ledende billedbehandlingsforsker for OSIRIS-REx.

DellaGiustina tilføjer, at ud over at sikre missionssikkerhed, kortlægning med sådanne hidtil usete detaljer giver "virkelig cool, utrolig videnskab."

"Ved at få et datasæt af en hel asteroide og gå fra den skala helt ned til pixel-billeddannelse i centimeterstørrelse, vi kan virkelig begynde at forbinde asteroider med den meteoritpopulation, vi har i vores laboratorier, " siger DellaGiustina.

For at gøre det, holdet skulle opfinde nye teknikker og udvide tilgængelig kortlægningssoftware for at fange en nøjagtig gengivelse af Bennu, et uregelmæssigt formet objekt, hvis overflade er besat med kampesten, herunder nogle på størrelse med et parkeringshus og med udhæng.

Navigering i tre dimensioner

"Et koordinatsystem er ikke nok, så vi arbejder i både bredde- og længdegrad og kartesiske koordinater hele tiden, " DellaGiustina siger. "Dette giver os mulighed for at generere 3-D punktskyer og tildele præcise koordinater til hver pixel."

Ud over at muliggøre fremtidige menneskelige udforskningsmissioner til Mars, denne forskning hjælper med at besvare grundlæggende spørgsmål om, hvordan den røde planet blev til, hvad den er i dag, Bramson forklarer.

"Ved at kortlægge den underjordiske is, vi kan prøve at samle klodens klimahistorie, " siger hun. "Dette giver os mulighed for at forstå de naturlige klimaændringer uden de forvirrende faktorer, som vi har på Jorden, såsom den menneskelige befolkning, vegetation og oceaner."