1972, er was een astronaut voor nodig die een ruimtewandeling maakte om te doen wat Lynn Carter nu kan doen met een paar muisklikken tijdens de lunch.

Voerman, een professor planetaire wetenschap aan de Universiteit van Arizona Lunar and Planetary Laboratory, wijst op een kleine ingelijste foto boven haar bureau. Het toont het ruimtevaartuig Apollo 17, de laatste bemande missie naar de maan, hoog boven het grijze cruisen, kratervormige uitgestrektheid hieronder.

"Zie je die kleine antenne die daar uitsteekt? Dat was de eerste planetaire radar op een ruimtevaartuig, en terwijl het om de maan ging, het pingelde het oppervlak, ' zei ze. 'Elke keer dat het een andere rotslaag raakte, het weerkaatste een signaal en nam het op film op."

Een van de dingen die de Apollo 17-astronauten moesten doen, was het in kaart brengen van het maanoppervlak vanuit het vogelperspectief van hun orbiter. Naast het fotograferen van de voor de hand liggende - topografische kenmerken zoals heuvels, kraters en rotsblokken - dankzij de radarantenne konden ze verborgen geologische kenmerken onder het maanoppervlak onthullen. De radargegevens werden vastgelegd op ouderwetse cassettebandjes die waren opgeslagen onder een luik dat alleen van buitenaf toegankelijk was. Om de film op te halen, astronaut Ron Evans moest een ruimtepak aantrekken en door het luik van de Apollo-capsule kronkelen terwijl het op bijna 25-jarige leeftijd ergens tussen de maan en de aarde door de ruimte raasde, 000 mijl per uur.

"Vandaag, het is totaal anders, " zegt Carter. "Alles is digitaal, en de instrumenten hebben een veel betere resolutie. We kunnen vanuit onze woonkamer dingen op Mars zien die je niet zou kunnen zien, zelfs als je daarheen zou kunnen reizen en zelf aan de oppervlakte zou kunnen staan."

Andere werelden in kaart brengen

Carter is gespecialiseerd in het maken van kaarten van het ongeziene:met behulp van gegevens die zijn verkregen met gronddoordringende radarinstrumenten, ze visualiseert en interpreteert kenmerken die begraven liggen onder het oppervlak van planetaire lichamen zoals de maan, Mars en Venus.

Voor een planetaire wetenschapper als Carter, het in kaart brengen van een andere wereld gaat over veel meer dan uitzoeken wat waar aan de oppervlakte is en hoe je van punt A naar punt B kunt komen (hoewel navigatie een steeds belangrijker doel wordt, met toenemende inspanningen om astronauten naar nieuwe horizonten te sturen, zoals Mars of asteroïden in de buurt van de aarde).

"We kijken naar planeten om te begrijpen hoe ze zijn ontstaan, " zegt Carter, "en ook om kenmerken hier op aarde beter te begrijpen die zijn verduisterd door de geologische processen die onze planeet speciaal maken. Het bestuderen van andere objecten in het zonnestelsel is een manier om dingen te bestuderen die niet zijn geworden zoals ze hier op Aarde."

Neem Venus, bijvoorbeeld, naaste buur van de aarde en Carter's "favoriete planeet, " zoals ze grif toegeeft. Zelfs met de krachtigste telescopen, we krijgen nooit het oppervlak te zien, die permanent aan het zicht wordt onttrokken door een gloeiend sluier van wolken. Tot de jaren 60, sci-fi romans speculeerden over een weelderige, tropische wereld bedekt met oerwouden.

"Radar verpletterde dat idee, toen het een solide onthulde, superheet oppervlak met veel vulkanen." zegt Carter. "Plotseling, Venus zag er helemaal niet gastvrij uit."

In tegenstelling tot de ontdekkingsreizigers en cartografen die het waagden om de aarde vanaf land en zee in kaart te brengen, planetaire wetenschappers moeten van ver in kaart brengen, kijken door telescopen, of, als ze het geluk hebben om een ​​ruimtevaartuigmissie gefinancierd te krijgen, uit een baan om de aarde.

Een salontafel op Mars?

Een van de meest succesvolle visualisatiemissies is HiRISE, die wordt geleid door de UA. HiRISE is een beeldcamera met hoge resolutie die Mars in ongekend detail heeft gefotografeerd terwijl hij meer dan 10 jaar rond de rode planeet draaide aan boord van NASA's Mars Reconnaissance Orbiter. De beelden zijn zo gedetailleerd dat in de loop van een decennium, na het knippen van 62, 712 afbeeldingen, het heeft slechts 3,5 procent van het oppervlak van Mars bedekt. Maar dekking was nooit het doel - eerder, HiRISE werd naar Mars gestuurd om toekomstige landingsplaatsen te vinden en om een ​​beeld te verschaffen dat wetenschappers zal helpen de oude en huidige geologische processen van Mars te begrijpen. De planeet is verrassend actief gebleken ondanks het feit dat het een koude, stoffige wereld zonder platentektoniek of een magnetisch veld en waarvan de atmosfeer grotendeels de ruimte in zweefde.

HiRISE, wiens oog scherp genoeg is om een ​​salontafel (als die er was) op de grond te zien vanaf 180 mijl boven, is nu in zijn vijfde uitbreiding en nog steeds sterk. Op het moment dat het werd gelanceerd, soortgelijke gedetailleerde kaarten van de aarde werden geclassificeerd en alleen toegankelijk voor de personen in het Pentagon, zei Alfred McEwen, UA Regents' hoogleraar planetaire wetenschappen en hoofdonderzoeker van HiRISE.

Vanaf dat moment, HiRISE heeft een verbluffend mooie planeet onthuld. De stereovisie van het instrument, ongekende resolutie en herhaalde beeldvormingspassages hebben de manier waarop wetenschappers eerdere afbeeldingen van de rode planeet interpreteerden volledig veranderd, zegt McEwen.

"Wat we dachten dat oude duinen waren, bijvoorbeeld, bevroren in de tijd voor mogelijk miljoenen jaren, bleek voortdurend te veranderen."

HiRISE heeft een hele reeks lopende activiteiten gezien, waaronder nieuwe inslagkraters, waar de inslaande meteoriet waterijs van onder het oppervlak van de planeet wegschoot, erosiegeulen en andere kenmerken, sommige zo onaards dat planetaire geologen zoals McEwen nog steeds worstelen om hun oorsprong met zekerheid te verklaren.

"We blijven nieuwe dingen ontdekken, zoals kenmerken in de poolgebieden die we spinnen noemen, " zegt McEwen. "We denken dat ze worden veroorzaakt door kooldioxidegas dat onder ijskappen stroomt, het snijden van de oppervlaktetopografie. Een andere recente ontdekking zijn rotsblokken die langzaam bergafwaarts bewegen, mogelijk gedreven door de seizoensgebonden uitzetting en krimp van ijs onder de grond."

Foto's maken is slechts de eerste stap in het genereren van een kaart van een planetair oppervlak die nauwkeurig genoeg is om landers te laten landen zonder tegen onontdekte rotsblokken te botsen of te voorkomen dat robotrovers vast komen te zitten in los zand.

"Om een ​​kaart te maken, je moet de geometrie van je afbeeldingen begrijpen en ze samen mozaïeken. En dan moet je het perspectief veranderen naar hoe het er recht naar beneden uitziet, tenzij de originelen op die manier zijn verkregen, " McEwen zei over het proces dat orthorectificatie wordt genoemd.

Orthorectificatie is nodig om de topografie uit een afbeelding af te leiden, hij legt uit. De UA-wetenschappers die de eerste gedetailleerde atlas van de maan produceerden, gebruikten een nogal analoge, maar elegant eenvoudige setup om dit te bereiken. Tegenwoordig, het wordt gedaan door de scherpe ogen van speciaal opgeleide mensen en geavanceerde software.

Jupiters vormveranderende satellieten

Enkele van de andere uitdagingen waarmee cartografen van het zonnestelsel te maken hebben, zijn hoe je de zeespiegel kunt definiëren als je studieobject geen zee heeft of hoe je coördinaten vastlegt op een object dat niet precies bolvormig is of constant van vorm verandert.

"Veel van de Jupiter-satellieten zijn wat we triaxiale ellipsoïden noemen, McEwen zegt. "Hun driedimensionale vormen veranderen met de sterke getijdenkrachten onder het zwaartekrachtveld van Jupiter, en dat is een echte uitdaging als je precisiekartering wilt doen."

Het meten van dergelijke veranderingen is op zichzelf al interessant, echter, omdat het aanwijzingen onthult over de inwendige eigenschappen van die objecten die anders moeilijk of onmogelijk te bestuderen zouden zijn, voegt McEwen toe.

Wetenschappers en ingenieurs van UA hebben het veld vooruit geholpen door instrumenten en camera's te ontwerpen die op verschillende ruimtemissies zijn gevlogen om onbekend gebied in kaart te brengen, inclusief Mercurius, de planeet die het dichtst bij de zon staat, Saturnus manen Titan en Enceladus, en Jupiters maan Io. Ze werken ook aan voorgestelde instrumenten voor toekomstige kaartprojecten, waaronder de maan van de aarde, Mars en Europa, De grote maan van Jupiter waarvan de oceaan onder het water wordt beschouwd als een hete kandidaat voor buitenaards leven.

Meest recent, Wetenschappers van UA naderen de voltooiing van de meest gedetailleerde kaart die ooit is gemaakt van een lichaam in het zonnestelsel, inclusief de aarde:camera's ontworpen aan de UA scannen het rotsachtige oppervlak van Bennu, een bijna-aarde asteroïde ongeveer zo groot als het Empire State Building, en het team van de door de UA geleide OSIRIS-REx monsterretourmissie bracht Bennu's oppervlak tot op de centimeter in kaart. In staat zijn om een ​​veilige plek te kiezen waar het ruimtevaartuig kan landen en een monster te pakken is een logische voorwaarde voor de missie, die op het punt staat om in 2023 een monster van ongerept asteroïde-materiaal naar de aarde terug te sturen.

"Tegen de tijd dat we klaar zijn met de karakterisering van de kandidaat-voorbeeldsites, we zullen een object ter grootte van een cent kunnen zien, " zegt Daniella DellaGiustina, hoofd wetenschapper beeldverwerking voor OSIRIS-REx.

DellaGiustina voegt eraan toe dat naast het waarborgen van de veiligheid van de missie, in kaart brengen met zo'n ongekend detail levert "echt cool, ongelooflijke wetenschap."

"Door een dataset van een hele asteroïde te krijgen en van die schaal helemaal naar beneden te gaan tot pixelafbeeldingen van centimeters, we kunnen echt beginnen asteroïden te verbinden met de meteorietenpopulatie die we in onze laboratoria hebben, ' zegt Della Giustina.

Om dit te doen, het team moest nieuwe technieken uitvinden en de beschikbare kaartsoftware uitbreiden om een ​​nauwkeurige weergave van Bennu vast te leggen, een onregelmatig gevormd object waarvan het oppervlak is bezaaid met keien, waaronder enkele ter grootte van een parkeergarage en met overstek.

Navigeren in drie dimensies

"Eén coördinatensysteem is niet genoeg, dus we werken de hele tijd in zowel breedte- als lengtegraad en Cartesiaanse coördinaten, ", zegt DellaGiustina. "Hierdoor kunnen we 3D-puntenwolken genereren en aan elke pixel nauwkeurige coördinaten toewijzen."

Naast het mogelijk maken van toekomstige menselijke verkenningsmissies naar Mars, dit onderzoek helpt bij het beantwoorden van fundamentele vragen over hoe de rode planeet is geworden tot wat het nu is, legt Bramson uit.

"Door het ondergrondse ijs in kaart te brengen, we kunnen proberen de klimaatgeschiedenis van de planeet samen te vatten, " zegt ze. "Hierdoor kunnen we de natuurlijke klimaatverschuivingen begrijpen zonder de verstorende factoren die we op aarde hebben, zoals de menselijke bevolking, vegetatie en oceanen."