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绘制太阳系-从月球到本奴

当美国宇航局的欧西里斯-雷克斯宇宙飞船准备在10月短暂着陆并从小行星Bennu收集样本时,由亚利桑那大学领导的任务科学小组已经精心工作,以绘制包括地球在内的所有行星体的最高分辨率的全球地图。这是该大学在天体成像和绘图方面的悠久历史中最新的一次尝试——这一历史始于首次登月。

该团队将2155张图像拼接在一起,其中包含的像素在表面可以转换为2平方英寸,从而创造出了Bennu的全球马赛克。

奥西里斯-雷克斯图像处理首席科学家Daniella DellaGiustina说:“这是我们所绘制的行星物体最精确的空间尺度。”“我们使用它的方式也是前所未有的。通常,当NASA为即将进行的任务选择着陆点时,他们会在另一个单独的任务接触地面之前,用轨道飞行器对地面进行侦察。但是我们去Bennu的时候没有那种奢侈。这种每一步都紧密相连的模式是独一无二的,这让事情变得很棘手。”

2019年3月21日至4月11日,探测器在距离小行星表面2.2到2.9英里的距离上收集了这些图像。这幅镶嵌画于今年2月完成。

任务小组在选择主要和备用样本采集地点时,使用了“Bennu”的详细视图,分别命名为“Nightingale”和“Osprey”。

自2月份发布以来,mosaic的全尺寸版本已经被下载超过52810次。

做一个马赛克

有两个重要的标准,一个有用的Bennu表面的地图需要满足。

卡琳娜·贝内特(Carina Bennett)可以胜任这项任务。她拥有摄影、电影和艺术背景,在亚利桑那大学获得媒体艺术和创意写作学士学位,在爱荷华大学获得电影和视频制作硕士学位。近10年前,她在亚利桑那大学通信学院(University Communications)担任摄像师,同时还选修了计算机科学课程。她的计算机科学学位,以及在大学工作期间建立的人脉,为她带来了第一份奥西里斯-雷克斯任务的工作。她现在是该任务图像处理小组的高级工程师。

为了创建Bennu Global的马赛克图,该团队首先必须使用PolyCam仪器捕捉其表面的图像。

“飞船上的摄像头PolyCam是亚利桑那开发的,拍摄了7000张照片,我把范围缩小到2100多张照片,”贝内特说。“我寻找具有最佳几何形状的图像,即航天器与我们正在拍摄的小行星部分之间的最佳角度,以及太阳与该区域之间的最佳角度。”

航天器从北半球、赤道和南半球三个预定轨道角度拍摄了照片,这确保了对整个小行星表面的清晰观察,并优化了本努行星特征的阴影。虽然地图通常想要消除阴影,但它们在这种情况下是需要的,以使表面特征突出。

“我们想要一点阴影,但不要太多,也不要怪异的角度。这一切都是精心策划的。”

然后,利用利用一个程序创建的小行星三维模型(该程序基于多个照片角度来推断其形状),贝内特和她的团队将这些图像叠加起来。

她说:“我们拍了几张图片,然后手动将它们与分散在三维模型上的网站进行匹配。”“如果它们没有排得很整齐,当我们在两者之间切换时,它们似乎会摇摆。”我们小心地把照片挪到合适的位置,直到找到一个完美的匹配。然后,为了摆放剩下的图像,我们使用计算机算法,自动匹配地表特征。”

这就是贝内特的摄影和平面设计背景发挥作用的地方。

“有一件事我不会用Photoshop。如果我们这样做,就会损害科学的完整性。例如,人们从像素的亮度中获取科学信息,所以我们不想抹掉科学。”相反,我必须小心选择在哪里分割图像。我沿着火山口边缘切割阴影之类的东西,而不是从两个不同视角拍摄的岩石中间。通过仔细地追踪地形,将图像像拼图一样拼合在一起,我能够使地图更加无缝。”

最终的全球马赛克可以作为一个基础地图,为未来的科学数据提供背景。

Bennett说:“当科学家们收集从Bennu反射和发射的光谱数据来确定它的组成时,它看起来就像弯弯曲曲的线条和经纬度坐标。”“因此,能够在地图上找到相应的位置和特征,对解释这些数据非常有帮助。”

DellaGiustina说,单个图像也不如高清地图有用。

“这可以提供数据来解开Bennu上存在何种全球模式,并为其他数据集提供上下文,”她说。

全球马赛克还被用于一个公民科学项目,在那里,任何有互联网连接的人都可以绘制和测量本努巨石,这将有助于全球巨石普查。

未来的马赛克将聚焦于小行星较小的部分,分辨率更高,将用于主要和次要样本地点的导航。

启动一个遗产

DellaGiustina说:“亚利桑那大学在成像太阳系其他天体方面有着悠久的历史。”“当我们为奥西里斯-雷克斯任务设计相机时,所有这些传统都得到了体现。”

1961年,当约翰·肯尼迪总统宣布美国人将在20世纪60年代末登上月球时,一小群亚利桑那大学的研究人员已经成为专业研究月球的少数人之一。

团队成员绘制了月球表面的图像和地图,这让他们了解了月球的地质情况,也让美国宇航局为未来的机器人和阿波罗计划选择着陆点。现代行星科学之父杰勒德·柯伊珀(Gerard Kuiper)领导了这个团队,并在亚利桑那大学建立了月球和行星实验室,并担任系主任。

从那时起,UArizona在NASA绘制太阳系天体图的任务中发挥了重要作用。70年代的先驱者任务绘制了木星和土星的地图,几年后旅行者号探测器拍摄了海王星和天王星的唯一特写照片,卡西尼号飞船拍摄了土星的照片,惠更斯号探测器拍摄了土卫六的照片。

该大学还领导了高分辨率成像科学实验项目,简称HiRISE,该项目从美国宇航局的火星勘测轨道飞行器上捕捉到了令人惊叹的火星表面照片。

亚利桑那领导的OSIRIS-REx任务所携带的相机是由该大学开发的。用于捕捉马赛克图像的PolyCam仪器具有可调焦距,能够从数百万英里以外到距离其表面不到一英里的地方成像Bennu。

DellaGiustina说:“由于我们发展航天有效载荷和照相机的悠久历史,我们也已经有了很好的软件来处理所有这些图像。”特别是对于Bennu来说,我们与位于flagstaffusgs(美国地质调查局)的天体地质科学中心合作建立了一套图像处理软件,能够处理不规则形状的物体并将其转换成地图。地图通常投射球形物体,但Bennu是一个独特的挑战,因为它是菱形的。”

这个团队的工作包括大约十来个人的工作,他们帮助将图像与小行星模型联系起来,还有大约10个人帮助计划图像数据收集,并向欧西里斯-雷克斯号上的相机发送指令。

“我们还有很多工作要做,”贝内特说。“我们计划在今年10月进行采样,所以我们现在的大部分工作是确保我们做好了准备。”

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