1972, det krävdes en astronaut som gick på en rymdpromenad för att göra vad Lynn Carter nu kan göra med några musklick över lunchen.

Carter, en planetarisk vetenskapsprofessor vid University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory, pekar på en liten, inramat fotografi ovanför hennes skrivbord. Det visar rymdfarkosten Apollo 17, det sista bemannade uppdraget till månen, kryssar högt över det grå, kraterad vidd nedanför.

"Ser du den där lilla antennen som sticker ut där? Det var den första planetradarn på en rymdfarkost, och medan det gick runt månen, det plingade ytan, " sa hon. "Varje gång den träffade ett annat stenlager, den reflekterade en signal och spelade in den på film."

En av sakerna som Apollo 17-astronauterna fick i uppdrag att göra var att kartlägga månens yta från fågelperspektiv av sin omloppsbana. Förutom att fotografera det uppenbara – topografiska egenskaper som kullar, kratrar och stenblock – radarantennen tillät dem att avslöja dolda geologiska egenskaper under månens yta. Radardata spelades in på gammaldags kassettband lagrade under en lucka som endast var tillgänglig från utsidan av rymdfarkosten. För att hämta filmen, Astronauten Ron Evans var tvungen att ta på sig en rymddräkt och vicka genom luckan på Apollo-kapseln medan den susade genom rymden någonstans mellan månen och jorden vid nästan 25, 000 miles per timme.

"I dag, det är helt annorlunda, " säger Carter. "Allt är digitalt, och instrumenten har mycket bättre upplösning. Vi kan se saker på Mars från vårt vardagsrum som du inte kunde se även om du kunde resa dit och stå på ytan själv."

Kartläggning av andra världar

Carter är specialiserad på att göra kartor över det osynliga:genom att använda data som erhållits med markpenetrerande radarinstrument, hon visualiserar och tolkar drag begravda under ytan av planetkroppar som månen, Mars och Venus.

Till en planetforskare som Carter, Att kartlägga en annan värld handlar om mycket mer än att ta reda på vad som är var på ytan och hur man tar sig från punkt A till punkt B (även om navigering blir ett allt viktigare mål, med ansträngningar som ökar för att skicka astronauter till nya horisonter som Mars eller jordnära asteroider).

"Vi tittar på planeter för att förstå hur de bildades, " Carter säger, "och även för att bättre förstå särdrag här på jorden som har mörkats av just de geologiska processer som gör vår planet speciell. Att studera andra objekt i solsystemet är ett sätt att studera saker som inte blev som de gjorde här på Jorden."

Ta Venus, till exempel, Jordens granne och Carters "favoritplanet, " som hon villigt erkänner. Även med de mest kraftfulla teleskopen, vi får aldrig se dess yta, som är permanent skyddad från insyn av ett brinnande hölje av moln. Fram till 1960-talet, sci-fi-romaner spekulerade om en frodig, tropisk värld täckt av djungler.

"Radar krossade den idén, när den avslöjade en solid, superhet yta med många vulkaner." säger Carter. "Plötsligt, Venus såg inte alls gästvänlig ut."

Till skillnad från upptäcktsresande och kartografer som vågade sig ut för att kartlägga jorden från land och hav, planetforskare måste kartlägga på långt håll, tittar genom teleskop, eller, om de har turen att få ett rymdfarkostuppdrag finansierat, från omloppsbana.

Ett soffbord på Mars?

Ett av de mest framgångsrika visualiseringsuppdragen är HiRISE, som leds av UA. HiRISE är en högupplöst bildkamera som har fotograferat Mars i oöverträffad detalj när den kretsar runt den röda planeten ombord på NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter i mer än 10 år. Bilderna är så detaljerade att under loppet av ett decennium, efter att ha knäppt 62, 712 bilder, den har täckt bara 3,5 procent av Mars yta. Men täckning var aldrig målet – snarare, HiRISE skickades till Mars för att hitta framtida landningsplatser och för att ge bilder som hjälper forskare att förstå Mars forntida och nuvarande geologiska processer. Planeten har visat sig vara överraskande aktiv trots att det är en förkylning, dammig värld som saknar plattektonik eller magnetfält och vars atmosfär till stor del svepte ut i rymden.

HiRISE, vars öga är tillräckligt skarp för att upptäcka ett soffbord (om det fanns ett) på marken från 180 miles ovan, är nu inne på sin femte förlängning och still going strong. När den lanserades, liknande detaljerade kartor över jorden klassificerades och endast tillgängliga för individerna vid Pentagon, sa Alfred McEwen, UA Regents' professor i planetära vetenskaper och huvudutredare för HiRISE.

Sedan dess, HiRISE har avslöjat en fantastiskt vacker planet. Instrumentets stereovision, oöverträffad upplösning och upprepade avbildningspass förändrade helt hur forskarna tolkade tidigare bilder tagna av den röda planeten, säger McEwen.

"Vad vi trodde var gamla sanddyner, till exempel, fryst i tiden i möjligen miljontals år, visade sig förändras hela tiden."

HiRISE har sett en hel serie av pågående aktiviteter inklusive nya nedslagskratrar, där den träffande meteoriten sprängde ut vattenis från under planetens yta, erosionsbrunnar och andra funktioner, några så ojordiska att planetgeologer som McEwen fortfarande kämpar för att förklara deras ursprung med säkerhet.

"Vi fortsätter att hitta nya saker, såsom särdrag i polarområdena som vi kallar spindlar, " säger McEwen. "Vi tror att de orsakas av koldioxidgas som strömmar under istäcken, rista yttopografin. En annan upptäckt nyligen är stenblock som sakta rör sig nedför, möjligen driven av säsongens expansion och sammandragning av is under jorden."

Att ta bilder är bara det första steget för att skapa en karta över en planetyta som är tillräckligt noggrann för att tillåta landare att landa utan att krascha in i oupptäckta stenblock eller förhindra robotar från att fastna i lös sand.

"För att göra en karta, du måste förstå geometrin i dina bilder och mosaikera dem tillsammans. Och då måste du ändra perspektivet till hur det ser ut rakt ner, om inte originalen förvärvades på det sättet, " McEwen sa om processen som kallas ortorectification.

Ortorektering är nödvändig för att härleda topografin från en bild, han förklarar. UA-forskarna som producerade den första detaljerade månatlasen använde en ganska analog, men elegant enkel installation för att åstadkomma detta. Dessa dagar, det görs med skarpa ögon från specialutbildade människor och sofistikerad programvara.

Jupiters formskiftande satelliter

Några av de andra utmaningarna som kartografer av solsystemet står inför är hur man definierar havsnivån när ditt studieobjekt inte har ett hav eller hur man spikar fast koordinater på ett föremål som inte är exakt sfäriskt eller ständigt ändrar sin form.

"Många av Jupiter-satelliterna är vad vi kallar triaxialellipsoider, McEwen säger. "Deras tredimensionella former förändras med de starka tidvattenkrafterna under Jupiters gravitationsfält, och det är en riktig utmaning om du vill göra precisionskartläggning."

Att mäta sådana förändringar är intressant för sin egen skull, dock, eftersom det avslöjar ledtrådar om de inre egenskaperna hos de föremål som skulle vara svåra eller omöjliga att studera annars, tillägger McEwen.

UA-forskare och ingenjörer har drivit fältet framåt genom att designa instrument och kameror som har flugit på flera rymduppdrag för att kartlägga okänt territorium, inklusive Merkurius, planeten närmast solen, Saturnus månar Titan och Enceladus, och Jupiters måne Io. De arbetar också med föreslagna instrument för framtida kartläggningsprojekt som inkluderar jordens måne, Mars och Europa, Jupiters stora måne vars hav under ytan anses vara en het kandidat för utomjordiskt liv.

Senast, UA-forskare närmar sig slutförandet av den mest detaljerade kartan som någonsin gjorts över någon solsystemkropp, inklusive jorden:kameror designade vid UA skannar Bennus steniga yta, en jordnära asteroid ungefär lika lång som Empire State Building, och teamet från det UA-ledda OSIRIS-REx provreturuppdraget kartlade Bennus yta ner till tum. Att kunna välja en säker plats för rymdfarkosten att landa och ta ett prov är en logisk förutsättning för uppdraget, som är redo att returnera ett prov av orörda asteroidmaterial till jorden 2023.

"När vi är klara med karakteriseringen av kandidatprovsajterna, vi kommer att kunna se ett föremål som är lika stort som ett öre, " säger Daniella DellaGiustina, ledande bildbehandlingsforskare för OSIRIS-REx.

DellaGiustina tillägger att förutom att säkerställa uppdragssäkerhet, kartläggning med sådana oöverträffade detaljer ger "riktigt coolt, otrolig vetenskap."

"Genom att få en datauppsättning av en hel asteroid och gå från den skalan hela vägen ner till centimeterstora pixelbilder, vi kan verkligen börja koppla asteroider till meteoritpopulationen vi har i våra labb, " säger DellaGiustina.

Att göra så, teamet var tvungen att uppfinna nya tekniker och utöka tillgänglig kartprogramvara för att fånga en korrekt representation av Bennu, ett oregelbundet format föremål vars yta är översållad med stenblock, inklusive några i storleken som ett parkeringshus och med överhäng.

Navigera i tre dimensioner

"Ett koordinatsystem räcker inte, så vi arbetar i både latitud och longitud och kartesiska koordinater hela tiden, " DellaGiustina säger. "Detta tillåter oss att generera 3D-punktmoln och tilldela exakta koordinater till varje pixel."

Förutom att möjliggöra framtida mänskliga utforskningsuppdrag till Mars, den här forskningen hjälper till att svara på grundläggande frågor om hur den röda planeten kom att bli vad den är idag, Bramson förklarar.

"Genom att kartlägga isen under ytan, vi kan försöka pussla ihop planetens klimathistoria, " säger hon. "Detta låter oss förstå de naturliga klimatförändringarna utan de förvirrande faktorer som vi har på jorden, såsom mänsklig befolkning, växtlighet och hav."