Kortlægning af solsystemet:fra månen til Bennu

Mens NASAs OSIRIS-REx-rumfartøj forbereder sig på kortvarigt at lande og indsamle en prøve fra asteroiden Bennu i oktober, missionens videnskabshold, ledet af University of Arizona, har arbejdet omhyggeligt for at skabe det højeste opløsning globale kort over enhver planetarisk krop, inklusive Jorden. Bestræbelsen er den seneste i universitetets lange historie med himmelsk billeddannelse og kortlægning - en, der begyndte med de første månelandinger.

Holdet syede sammen 2, 155 billeder - indeholdende pixels, der oversættes til to kvadrattommer på overfladen - for at skabe Bennu Global Mosaic.

"Dette er den fineste rumlige skala, vi nogensinde har kortlagt af et planetarisk objekt, " sagde Daniella DellaGiustina, Ledende videnskabsmand i OSIRIS-REx billedbehandling. "Det er også uden fortilfælde i den måde, vi brugte det på. Typisk, når NASA vælger et landingssted for en kommende mission, de har en orbiter, der laver rekognoscering af overfladen længe før en separat mission kontakter overfladen. Men vi tog til Bennu uden den luksus. Dette paradigme med at gøre hvert trin i tæt rækkefølge er unikt og gjorde tingene krævende."

Rumfartøjet indsamlede billederne i afstande fra 2,2 til 2,9 miles over asteroidens overflade mellem 21. marts og 11. april, 2019. Mosaikken stod færdig i februar.

Den detaljerede visning af Bennu blev brugt af missionsholdet under deres udvælgelse af primære og backup prøveindsamlingssteder, døbt Nightingale og Osprey, henholdsvis.

Versionen af ​​mosaikken i fuld størrelse er blevet downloadet over 52, 810 gange siden den blev udgivet i februar.

At lave en mosaik

Der er et par vigtige kriterier, som et brugbart kort over Bennus overflade skulle opfylde.

"Den skulle indeholde minimal forvrængning og god belysning for at få sans for tekstur og relief på tværs af overfladen, " sagde DellaGiustina.

Carina Bennett var klar til opgaven. Hun har en baggrund inden for fotografering, film og kunst, efter at have opnået en Bachelor of Arts i mediekunst og kreativ skrivning fra UArizona og en Master of Arts i film- og videoproduktion fra University of Iowa. Hun arbejdede som videograf i University Communications i UArizona for næsten 10 år siden, mens hun samtidig tilmeldte sig datalogi-kurser. Hendes datamatikeruddannelse og de forbindelser, hun skabte, mens hun arbejdede for universitetet, bragte hende til sit første job på OSIRIS-REx-missionen. Hun er nu senioringeniør på missionens billedbehandlingsteam.

For at skabe Bennu Global Mosaic, holdet skulle først tage billeder af overfladen ved hjælp af PolyCam-instrumentet.

"PolyCam, et af de UArizona-udviklede kameraer ombord på rumfartøjet, fanget 7, 000 billeder, og jeg indsnævrede dem til lidt over 2, 100, " sagde Bennett. "Jeg ledte efter billeder, der havde den bedste geometri, betyder den bedste vinkel mellem rumfartøjet og den del af asteroiden, vi afbildede, og den bedste vinkel mellem solen og det område."

Rumfartøjet tog billeder fra tre forudbestemte kredsløbsvinkler - på den nordlige halvkugle, ved ækvator og på den sydlige halvkugle – det sørgede for, at der var fri udsigt over hele asteroideoverfladen og optimerede skyggerne af Bennus træk. Mens kort typisk ønsker at fjerne skygger, de var nødvendige i dette tilfælde for at få overfladeegenskaberne til at springe ud.

"Vi ville have en lille skygge, men ikke for meget og ikke mærkelige vinkler. Det hele var bare meget nøje planlagt, " sagde Bennett.

Derefter, ved hjælp af en 3D-model af asteroiden, der blev skabt ved hjælp af et program, der udledte formen baseret på flere fotovinkler, Bennett og hendes team overlejrede billederne.

"Vi tog et par billeder og matchede dem manuelt til steder spredt ud over 3D-formmodellen, " sagde hun. "Hvis de ikke er perfekt opstillet, de ser ud til at vrikke, når vi skiftede mellem de to. Vi skubbede forsigtigt billederne på plads, indtil vi fik et perfekt match. Derefter, at lægge resten af ​​billederne, vi brugte computeralgoritmer, som automatisk matchede overfladefunktioner."

Det var her Bennetts fotografiske og grafiske designbaggrund kom ind.

"En ting, jeg ikke kan gøre, er at bruge Photoshop. Hvis vi skulle gøre det, det ville kompromittere den videnskabelige integritet. Folk får videnskabelig information fra lysstyrken af ​​pixels, for eksempel, så vi ønsker ikke at udtvære videnskaben, " sagde Bennett. "I stedet, Jeg skulle nøje vælge, hvor billederne skulle opdeles. Jeg skar gennem ting som skygger eller langs kraterkanter i stedet for ned langs midten af ​​en sten, der blev afbildet fra to forskellige synsvinkler. Ved omhyggeligt at spore topografien og matche billeder sammen som puslespilsbrikker, Jeg var i stand til at gøre kortet meget mere sømløst."

Den endelige globale mosaik kan tjene som et basiskort for at give kontekst til fremtidige videnskabelige data.

"Når forskere indsamler spektrale (lys) data, der reflekteres og udsendes fra Bennu for at bestemme dets sammensætning, det ligner bare snoede linjer og bredde- og længdegradskoordinater, " sagde Bennett. "Så at være i stand til derefter at se på den tilsvarende placering og funktioner på kortet er yderst hjælpsom til at fortolke disse data."

Individuelle billeder er heller ikke så nyttige som et high-definition kort, sagde DellaGiustina.

"Dette kan give data til at låse op for, hvilken slags globale mønstre der findes på Bennu og give kontekst til andre datasæt, " hun sagde.

Den globale mosaik blev også brugt til et borgervidenskabsprojekt, hvor alle med en internetforbindelse kunne kortlægge og måle Bennus kampesten, som vil bidrage til en global kampestenstælling.

Fremtidige mosaikker, som vil fokusere på mindre dele af asteroiden og have højere opløsning, vil blive brugt til navigation af de primære og sekundære prøvesteder.

Lancering af en arv

"Universitetet i Arizona har en omfattende historie med at afbilde andre objekter i solsystemet, " sagde DellaGiustina. "Al den arv blev bragt til live, da vi designede kameraerne til OSIRIS-REx-missionen."

Da præsident John F. Kennedy i 1961 annoncerede, at amerikanerne ville gå på månen i slutningen af ​​1960'erne, en lille gruppe UArizona-forskere var blandt de få, der allerede studerede månen professionelt.

Holdmedlemmerne afbildede og kortlagde månens overflade, hvilket gjorde det muligt for dem at forstå månens geologi og gjorde det muligt for NASA at vælge landingssteder til fremtidige robot- og Apollo-missioner. Gerard Kuiper, faderen til moderne planetarisk videnskab, ledet holdet og etablerede Lunar and Planetary Laboratory i UArizona, hvor han fungerede som afdelingsleder.

Siden da, UArizona har spillet fremtrædende roller i NASA-missioner, der kortlagde objekter på tværs af solsystemet. Pioneer-missionerne i 70'erne kortlagde Jupiter og Saturn, Voyager-sonderne et par år senere tog de eneste nærbilleder af Neptun og Uranus, og Cassini-rumfartøjet tog billeder af Saturn, mens Huygens-sonden fangede billeder af månen Titan.

Universitetet leder også High-Resolution Imaging Science Experiment, eller HiRISE, som fanger fantastiske billeder af Mars-overfladen fra NASA's Mars Reconnaissance Orbiter ombord.

Kameraerne ombord på den UArizona-ledede OSIRIS-REx-mission blev udviklet på universitetet. PolyCam-instrumentet, der bruges til at tage billederne til mosaikken, har et justerbart fokus, i stand til at afbilde Bennu fra millioner af miles væk til mindre end en mil fra dens overflade.

"På grund af vores lange historie med at udvikle rumflyvnings nyttelast og kameraer, vi har også fået god og udviklende software til at behandle alle disse billeder, " sagde DellaGiustina. "For Bennu, i særdeleshed, vi arbejdede på at etablere – i samarbejde med Astrogeology Science Center, USGS (U.S. Geological Survey) i Flagstaff - en suite af billedbehandlingssoftware, der er i stand til at håndtere uregelmæssigt formede objekter og oversætte dem til kort. Kort projicerer normalt sfæriske objekter, men Bennu var en unik udfordring, fordi den er diamantformet."

Holdindsatsen omfattede arbejdet fra omkring et dusin mennesker, der hjalp med at binde billeder til hinanden og til modellen af ​​asteroiden, og omkring 10 personer, der hjalp med at planlægge billeddataindsamlingen og sende kommandoer til kameraerne ombord på OSIRIS-REx.

"Vi har stadig meget arbejde at gøre, " sagde Bennett. "Vi planlægger at tage prøver i oktober i år, så meget af vores arbejde nu er at sikre, at vi er forberedt."