窥视月球的阴影:人工智能提供更清晰的月球陨石坑的图像,包含水冰

环形山和洼地月球南极

新研究的17个陨石坑和洼地位于南极附近。其中最小的地区(第11地区)只有0.18平方公里,最大的地区(第9地区)有54平方公里。9号区域并不是在这里显示的南极区域,而是在更北一点的Schrödinger盆地。这里显示的月球表面是基于来自月球勘测轨道器的高度计数据。出处:©MPS/牛津大学/NASA艾姆斯研究中心/FDL/SETI研究所

永久被阴影笼罩的月球陨石坑含有水冰,但很难成像。现在,一种机器学习算法可以提供更清晰的图像。

月球的两极地区有许多陨石坑和其他洼地,这些地方从来没有阳光照射。今天,由德国马克斯·普朗克太阳系研究所(MPS)领导的一组研究人员展示了迄今为止最高分辨率的图像,覆盖了17个这样的陨石坑。这种类型的陨石坑可能含有冰冻的水,这使它们成为未来月球任务的诱人目标,研究人员进一步集中在相对较小和容易接近的陨石坑周围的缓坡。事实上,其中三个陨石坑已经被证明位于刚刚宣布的任务区内">美国国家航空航天局“挥发物极地探索漫游者”计划于2023年登陆月球。对永久性阴影环形山的内部进行成像是很困难的,到目前为止的工作都依赖于长时间的曝光,这导致了污迹和低分辨率。通过利用附近山上反射的阳光和一种新颖的图像处理方法,研究人员现在已经生成了每像素1-2米的图像,这是或非常接近相机的最佳性能。

月球是一片寒冷干燥的沙漠。与地球不同,月球周围没有保护性的大气层,月球形成期间存在的水早已在太阳辐射的影响下蒸发并逃逸到太空中。然而,极地的陨石坑和洼地让人们有理由对有限的水资源抱有希望ces,来自MPS的科学家们牛津大学美国宇航局艾姆斯研究中心现在对其中一些地区进行了深入研究。

“在月球南极和北极附近,入射的阳光以非常浅的角度进入陨石坑和洼地,永远达不到它们的一些地面”,mps科学家瓦伦丁·比克尔,这篇新论文的第一作者自然通讯,解释道。在这个“永恒的夜晚”,一些地方的温度是如此之低,以至于冰冻的水预计已经持续了数百万年。可能是彗星或小行星的撞击造成的,也可能是火山爆发释放的气体,或者是表面与太阳风的相互作用形成的。近年来空间探测器对中子通量和红外辐射的测量表明,这些地区存在水。最终,美国宇航局的月球陨石坑观测和传感卫星LCROSS)提供了直接的证据:12年前,探测器向遮蔽的南极凯布斯陨石坑发射了一枚炮弹。后来的分析表明,发射到太空中的尘雾中含有大量的水。

然而,永久阴影区域不仅是科学研究的热点。如果人类要在月球上停留很长一段时间,自然存在的水将是一种宝贵的资源——而阴影笼罩的环形山和洼地将是一个重要的目的地。美国宇航局的“毒蛇例如,探测器将在2023年探索南极地区,并进入这些环形山。为了提前获得精确的地形和地质图像,例如为了任务规划的目的,来自太空探测器的图像是必不可少的。美国宇航局的月球勘测轨道飞行器月球勘测轨道飞行器)自2009年以来一直提供此类图像。

然而,在永久阴影区域的黑暗中拍摄图像异常困难;毕竟,唯一的光源是散射光,比如从地球和周围地形反射的光,以及微弱的星光。“因为宇宙飞船正在运行,所以月球勘测轨道飞行器牛津大学的Ben Moseley是这项研究的合著者,他解释说,在长时间的曝光下,图像完全模糊了。在短曝光时间内,空间分辨率要好得多。然而,由于可用的光线量很小,这些图像以噪声为主,难以区分真实的地质特征。

月球南极地区未命名的陨石坑

月球南极地区一个尚未命名的陨石坑。位于莱布尼茨高原,紧邻美国宇航局极地探测车(VIPER)挥发物调查的目标任务区。左图显示的是月球侦察轨道器拍摄的照片。陨石坑内部几乎看不见。右图显示的是经过HORUS机器学习算法处理后的相同图像。图片来源:©左图:NASA/LROC/GSFC/ASU;右图:MPS/牛津大学/NASA艾姆斯研究中心/FDL/SETI研究所

为了解决这个问题,研究人员开发了一种称为HORUS(超有效噪声消除U-net软件)的机器学习算法,该算法可以“清除”这样的噪声图像。它使用了70000多幅图像月球勘测轨道飞行器校准在月球暗面拍摄的图像,以及相机温度和航天器轨道的信息,以区分图像中的哪些结构是人造的,哪些是真实的。通过这种方法,研究人员可以实现每像素约1-2米的分辨率,这比以前所有可用图像的分辨率高出5到10倍。

利用这种方法,研究人员现在重新评估了月球南极地区的17个阴影区域的图像,这些区域的面积在0.18到54平方公里之间。在由此产生的图像中,只有几米宽的小型地质结构可以比以前更清晰地识别出来。这些结构包括圆石或非常小的陨石坑,它们在月球表面随处可见。由于月球没有大气层,非常小的陨石不断地落在月球表面,并形成了这些微型陨石坑。

“在新的HORUS图像的帮助下,现在有可能比以前更好地了解月球阴影区域的地质情况,”Moseley解释说。例如,小陨石坑的数量和形状提供了有关地表年龄和组成的信息。它还可以更容易地为漫游者或宇航员识别潜在的障碍和危险。在莱布尼茨高原的一个被研究的陨石坑中,研究人员发现了一个非常明亮的微型陨石坑。Bickel说:“它相对明亮的颜色可能表明这个陨石坑相对年轻。”研究人员表示,因为这样一个新留下的疤痕可以很容易地深入到更深的层次,这个地点可能是未来任务的一个有趣目标。

新图像并没有提供月球表面有冰冻水的证据,比如明亮的斑点。Bickel推测:“我们的一些目标区域可能稍微太热了。”月球表面的水很可能根本不存在,而是与风化层和灰尘混合在一起,或者隐藏在地下。
为了解决这个问题和其他问题,研究人员的下一步是使用HORUS来研究尽可能多的阴影区域。“在目前的出版物中,我们想展示我们的算法能做什么。现在我们想要尽可能全面地应用它。”Bickel说。

参考文献:《用深度学习窥视月球永久阴影区域》,作者:V. T. Bickel, B. Moseley, I. Lopez-Francos和M. Shirley, 2021年9月23日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 25882 - z

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