När NASA:s rymdfarkost OSIRIS-REx förbereder sig för att kortvarigt landa och samla ett prov från asteroiden Bennu i oktober, uppdragets vetenskapsteam, leds av University of Arizona, har arbetat noggrant för att skapa den högsta upplösningen globala kartan över alla planetkroppar, inklusive jorden. Strävan är den senaste i universitetets långa historia av himmelsk avbildning och kartläggning – en som började med de första månlandningarna.

Laget sydde ihop 2, 155 bilder – som innehåller pixlar som översätts till två kvadrattum på ytan – för att skapa Bennu Global Mosaic.

"Detta är den finaste rumsliga skalan vi någonsin har kartlagt av ett planetariskt objekt, sa Daniella DellaGiustina, OSIRIS-REx ledande forskare för bildbehandling. "Det är också oöverträffat i sättet vi använde det. Vanligtvis, när NASA väljer en landningsplats för ett kommande uppdrag, de har en orbiter som spanar ytan långt innan ett separat uppdrag kommer i kontakt med ytan. Men vi åkte till Bennu utan den lyxen. Detta paradigm att göra varje steg i tät följd är unikt och gjorde saker krävande."

Rymdfarkosten samlade in bilderna på avstånd från 2,2 till 2,9 miles över asteroidens yta mellan 21 mars och 11 april, 2019. Mosaiken blev klar i februari.

Den detaljerade vyn av Bennu användes av uppdragsteamet vid valet av de primära och backup-provinsamlingsplatserna, dubbade Nightingale och Osprey, respektive.

Den fullstora versionen av mosaiken har laddats ner över 52, 810 gånger sedan den släpptes i februari.

Att göra en mosaik

Det finns ett par viktiga kriterier som en användbar karta över Bennus yta behövde uppfylla.

"Den behövde innehålla minimal förvrängning och bra belysning för att få känsla för textur och lättnad över ytan, " sa DellaGiustina.

Carina Bennett var redo för uppgiften. Hon har en bakgrund inom fotografi, film och konst, efter att ha tagit en Bachelor of Arts i mediekonst och kreativt skrivande från UArizona och en Master of Arts i film- och videoproduktion från University of Iowa. Hon arbetade som videograf i University Communications vid UArizona för nästan 10 år sedan samtidigt som hon skrev in sig på datavetenskapskurser. Hennes datavetenskapsexamen och de kontakter hon knöt när hon arbetade för universitetet förde henne till hennes första jobb på OSIRIS-REx-uppdraget. Hon är nu senior ingenjör i uppdragets bildbehandlingsteam.

För att skapa Bennu Global Mosaic, teamet fick först ta bilder av ytan med hjälp av PolyCam-instrumentet.

"PolyCam, en av UArizona-utvecklade kameror ombord på rymdfarkosten, fångade 7, 000 bilder, och jag minskade dem till drygt 2, 100, " sa Bennett. "Jag letade efter bilder som hade den bästa geometrin, vilket betyder den bästa vinkeln mellan rymdfarkosten och den del av asteroiden vi avbildade och den bästa vinkeln mellan solen och det området."

Rymdfarkosten tog bilder från tre förutbestämda omloppsvinklar - på norra halvklotet, vid ekvatorn och på södra halvklotet – det såg till att det fanns fri utsikt över hela asteroidytan och optimerade skuggorna av Bennus drag. Medan kartor vanligtvis vill eliminera skuggor, de behövdes i det här fallet för att ytegenskaperna skulle poppa upp.

"Vi ville ha en liten skugga, men inte för mycket och inte konstiga vinklar. Det hela var bara väldigt noggrant planerat, sa Bennett.

Sedan, med hjälp av en 3D-modell av asteroiden som skapades med ett program som härledde formen baserat på flera fotovinklar, Bennett och hennes team överlagrade bilderna.

"Vi tog några bilder och matchade dem manuellt till platser utspridda över 3D-modellen, " sa hon. "Om de inte är perfekt uppställda, de verkar vicka när vi växlade mellan de två. Vi knuffade försiktigt bilderna på plats tills vi fick en perfekt matchning. Sedan, för att lägga resten av bilderna, vi använde datoralgoritmer, som automatiskt matchade ytegenskaper."

Det var här Bennetts bakgrund inom fotografi och grafisk design kom in.

"En sak jag inte kan göra är att använda Photoshop. Om vi ​​skulle göra det, det skulle äventyra den vetenskapliga integriteten. Människor får vetenskaplig information från pixlarnas ljusstyrka, till exempel, så vi vill inte smutsa bort vetenskapen, " sa Bennett. "Istället, Jag fick noga välja var jag skulle dela upp bilderna. Jag skar igenom saker som skuggor eller längs kraterkanter istället för mitt på en sten som avbildades från två olika betraktningsvinklar. Genom att noggrant spåra topografin och matcha bilder tillsammans som pusselbitar, Jag kunde göra kartan mycket mer sömlös."

Den slutliga globala mosaiken kan fungera som en baskarta för att ge sammanhang åt framtida vetenskapliga data.

"När forskare samlar in spektraldata (ljus) som reflekteras och sänds ut från Bennu för att bestämma dess sammansättning, det ser bara ut som snirkliga linjer och koordinater för latitud och longitud, " sa Bennett. "Så att sedan kunna titta på motsvarande plats och funktioner på kartan är extremt hjälpsamt för att tolka dessa data."

Enskilda bilder är inte heller lika användbara som en högupplöst karta, sa DellaGiustina.

"Detta kan ge data för att låsa upp vilken typ av globala mönster som finns på Bennu och ge sammanhang till andra datamängder, " Hon sa.

Den globala mosaiken användes också för ett medborgarvetenskapligt projekt där alla med internetuppkoppling kunde kartlägga och mäta Bennus stenblock, vilket kommer att bidra till en global boulder-folkräkning.

Framtida mosaiker, som kommer att fokusera på mindre delar av asteroiden och ha högre upplösning, kommer att användas för navigering av de primära och sekundära provplatserna.

Lanserar ett arv

"University of Arizona har en omfattande historia av att avbilda andra objekt i solsystemet, " Sa DellaGiustina. "Allt det arvet togs fram när vi designade kamerorna för OSIRIS-REx-uppdraget."

När president John F. Kennedy tillkännagav 1961 att amerikaner skulle gå på månen i slutet av 1960-talet, en liten grupp UArizona-forskare var bland de få som redan studerade månen professionellt.

Teammedlemmarna avbildade och kartlade månens yta, vilket gjorde det möjligt för dem att förstå månens geologi och gjorde det möjligt för NASA att välja landningsplatser för framtida robot- och Apollo-uppdrag. Gerard Kuiper, den moderna planetvetenskapens fader, ledde laget och etablerade Lunar and Planetary Laboratory vid UArizona, där han tjänstgjorde som avdelningschef.

Sedan dess, UArizona har spelat framträdande roller i NASA-uppdrag som kartlade objekt över hela solsystemet. Pioneer-uppdragen på 70-talet kartlade Jupiter och Saturnus, Voyager-sonderna tog några år senare de enda närbilderna av Neptunus och Uranus, och rymdfarkosten Cassini tog bilder av Saturnus medan Huygens-sonden tog bilder av månen Titan.

Universitetet leder också High-Resolution Imaging Science Experiment, eller HiRISE, som fångar fantastiska bilder av Mars yta från NASA:s Mars Reconnaissance Orbiter ombord.

Kamerorna ombord på det UArizona-ledda OSIRIS-REx-uppdraget utvecklades vid universitetet. PolyCam-instrumentet som används för att fånga bilderna för mosaiken har en justerbar fokus, kan avbilda Bennu från miljontals mil bort till mindre än en mil från dess yta.

"På grund av vår långa historia av att utveckla nyttolaster och kameror för rymdflyg, vi har också fått bra och utvecklande mjukvara för att bearbeta alla dessa bilder, " sa DellaGiustina. "För Bennu, särskilt, vi arbetade med att etablera – i samarbete med Astrogeology Science Center, USGS (U.S. Geological Survey) i Flagstaff – en serie bildbehandlingsprogram som kan hantera oregelbundet formade objekt och översätta dem till kartor. Kartor projicerar vanligtvis sfäriska objekt, men Bennu var en unik utmaning eftersom den är diamantformad."

Lagarbetet inkluderade arbetet med ett dussintal personer som hjälpte till att knyta bilder till varandra och till modellen av asteroiden, och ett tiotal personer som hjälpte till att planera bilddatainsamlingen och skicka kommandon till kamerorna ombord på OSIRIS-REx.

"Vi har fortfarande mycket att göra, " sa Bennett. "Vi planerar att ta prover i oktober i år, så mycket av vårt arbete nu är att se till att vi är förberedda."