Вглядываясь в тени луны

Фактически, три кратера оказались в пределах только что объявленной области миссии НАСА. Volatiles исследуют полярную исследовательскую поездкур (VIPER), который должен приземлиться на Луне в 2023 году. Получение изображений внутренней части постоянно затененных кратеров затруднено, и до сих пор усилия основывались на длительной выдержке, что приводило к смазыванию и более низкому разрешению. Используя преимущества отраженного солнечного света от близлежащих холмов и новый метод обработки изображений, исследователи теперь получают изображения с разрешением 1-2 метра на пиксель, что близко к лучшим возможностям камер.

Луна — это холодная сухая пустыня. В отличие от Земли, она не окружена защитной атмосферой, а вода, существовавшая при формировании Луны, давно испарилась под действием солнечной радиации и улетела в космос. Тем не менее кратеры и впадины в полярных регионах дают основания надеяться на ограниченность водных ресурсов. Ученые из MPS, Оксфордского университета и Исследовательского центра Эймса NASA внимательно изучили некоторые из этих регионов.

«Вблизи северного и южного полюсов Луны падающий солнечный свет проникает в кратеры и впадины под очень маленьким углом и никогда не достигает некоторых из их этажей», — сказал ученый MPS Валентин Бикель, первый автор новой статьи в Nature Communications, объясняет. В эту «вечную ночь» температура в некоторых местах настолько низкая, что ожидается, что замерзшая вода просуществует миллионы лет. Его могли доставить удары комет или астероидов, или он мог быть выделен извержением вулканов, или образовался в результате взаимодействия поверхности с солнечным ветром. Измерения нейтронного потока и инфракрасного излучения, полученные космическими зондами в последние годы, указывают на присутствие воды в этих регионах. В конце концов, НАСА Спутник для наблюдения и зондирования лунного кратера (LCROSS) предоставило прямое доказательство: двенадцать лет назад зонд выпустил снаряд в затененный кратер на южном полюсе Кабеус. Как показал более поздний анализ, облако пыли, выброшенное в космос, содержало значительное количество воды.

Однако постоянно затененные регионы представляют не только научный интерес. Если люди когда-либо будут проводить длительные периоды времени на Луне, природная вода будет ценным ресурсом, а затененные кратеры и впадины станут важным местом назначения. НАСА без экипажа VIPER Марсоход, например, исследует регион Южного полюса в 2023 году и войдет в такие кратеры. Чтобы получить точное представление об их топографии и геологии заранее — например, для целей планирования миссии — необходимы изображения с космических зондов. НАСА Лунный разведывательный орбитальный аппарат (МРО) предоставляет такие изображения с 2009 года.

Однако получение изображений в глубокой темноте постоянно затененных областей исключительно сложно; в конце концов, единственными источниками света являются рассеянный свет, такой как свет, отражающийся от Земли и окружающей топографии, а также слабый звездный свет. «Поскольку космический корабль находится в движении, МРО изображения полностью размываются при длительной выдержке », — объясняет Бен Мозли из Оксфордского университета, соавтор исследования. При короткой выдержке пространственное разрешение намного лучше. Однако из-за небольшого количества доступного света на этих изображениях преобладает шум, что затрудняет различение реальных геологических особенностей.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали алгоритм машинного обучения под названием HORUS (Hyper-Effective NOise Removal U-net Software), который «очищает» такие зашумленные изображения. Использует более 70 000 МРО калибровочные изображения, сделанные на темной стороне Луны, а также информация о температуре камеры и траектории космического корабля, чтобы различать, какие структуры на изображении являются артефактами, а какие — настоящими. Таким образом, исследователи могут достичь разрешения около 1-2 метров на пиксель, что в пять-десять раз выше, чем разрешение всех ранее доступных изображений.

© Слева: NASA / LROC / GSFC / ASU; Справа: MPS / Оксфордский университет / Исследовательский центр Эймса НАСА / FDL / Институт SETI.

Используя этот метод, исследователи переоценили изображения 17 затененных областей из области южного полюса Луны, размер которых составляет от 0,18 до 54 квадратных километров. На полученных изображениях небольшие геологические структуры размером всего несколько метров можно различить гораздо четче, чем раньше. Эти структуры включают валуны или очень маленькие кратеры, которые можно найти повсюду на лунной поверхности. Поскольку у Луны нет атмосферы, очень маленькие метеориты постоянно падают на ее поверхность и образуют такие мини-кратеры.

«С помощью новых изображений HORUS теперь можно понять геологию затененных областей Луны намного лучше, чем раньше», — объясняет Мозли. Например, количество и форма маленьких кратеров дают информацию о возрасте и составе поверхности. Это также упрощает определение потенциальных препятствий и опасностей для марсоходов или космонавтов.

В одном из исследованных кратеров, расположенном на плато Лейбниц, исследователи обнаружили поразительно яркий мини-кратер. «Его сравнительно яркий цвет может указывать на то, что этот кратер относительно молодой», — говорит Бикель. Исследователи предполагают, что такой свежий шрам обеспечивает беспрепятственное проникновение в более глубокие слои, поэтому это место может стать интересной целью для будущих миссий.

Новые изображения не предоставляют доказательств наличия замороженной воды на поверхности, например, ярких пятен. «Некоторые из целевых регионов могут быть немного слишком теплыми», — предполагает Бикель. Вполне вероятно, что лунная вода вообще не существует в виде четко видимых отложений на поверхности — вместо этого она может быть смешана с реголитом и пылью или может быть скрыта под землей.
Чтобы ответить на этот и другие вопросы, следующим шагом исследователей будет использование HORUS для изучения как можно большего количества затененных областей. «В текущей публикации мы хотели показать, на что способен наш алгоритм. Теперь мы хотим применить его как можно более полно », — говорит Бикель.