用人工智能窥视月球的阴影

月球南极地区一个尚未命名的陨石坑(图1中的区域1)。左:NASA/LROC/GSFC/ASU;右图:MPS/牛津大学/NASA艾姆斯研究中心/FDL/SETI研究所

永久阴影的月球陨石坑含有水冰,但很难成像。机器学习算法现在可以提供更清晰的图像。

月球是一片寒冷干燥的沙漠。与地球不同的是,月球周围没有一层保护性的大气层,在月球形成时就存在的水在太阳辐射的影响下蒸发了很久,逃到了太空中。然而,极地地区的陨石坑和洼地让人们有理由希望水资源是有限的。来自MPS、牛津大学和NASA艾姆斯研究中心的科学家们现在对其中一些地区进行了更近距离的观察。

“在月球北极和南极附近,入射的阳光以很浅的角度进入陨石坑和洼地,永远不会到达它们的一些地面”,MPS科学家瓦伦丁·比克尔博士,这篇新论文的第一作者解释道。在这个“永恒之夜”,一些地方的温度非常低,冰水预计会持续数百万年。来自彗星或小行星的撞击可能传递了它,也可能是火山喷发排出的气体,或是表面与太阳风相互作用形成的。近年来通过空间探测器获得的中子通量和红外辐射测量结果表明,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,探测器向被遮蔽的南极陨石坑卡比乌斯发射了一枚炮弹。后来的分析表明,发射到太空中的尘埃云含有大量的水。

然而,永久阴影区域不仅具有科学意义。如果人类要在月球上花费更长的时间,自然产生的水将是一种宝贵的资源,而阴影下的陨石坑和洼地将是一个重要的目的地。例如,美国宇航局的未覆盖蝰蛇漫游者将在2023年探索南极地区并进入这些陨石坑。为了提前准确地了解它们的地形和地质情况,例如为了任务规划的目的,来自空间探测器的图像是必不可少的。美国宇航局的月球侦察轨道器(LRO)自2009年以来一直在提供此类图像。

然而,在永久阴影区域的深黑暗中捕捉图像是异常困难的;毕竟,唯一的光源是散射光,比如从地球和周围地形反射回来的光,以及微弱的星光。这项研究的合著者、牛津大学的本·莫斯利解释说:“由于航天器处于运动状态,LRO的图像在长时间曝光后会完全模糊。”在较短的曝光时间内,空间分辨率要好得多。然而,由于光线不足,这些图像主要是噪声,很难区分真实的地质特征。

新研究的17个陨石坑和洼地位于南极附近。其中最小的区域(区域11)面积只有0.18平方公里,最大的区域(区域9)面积为54平方公里。第9区不在此处所示的南极区域,而是在更北边的薛定谔盆地。此处显示的月球表面表示基于月球侦察轨道器的高度表数据。]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名为HORUS(超有效噪声去除U-net软件)的机器学习算法,可以“清除”这些噪声图像。它使用了7万多张LRO在月球暗面拍摄的校准图像,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。在得到的图像中,只有几米宽的小地质结构可以比以前更清晰地被识别出来。这些结构包括巨石或非常小的陨石坑,在月球表面随处可见。由于月球没有大气层,非常小的陨石反复落在月球表面,形成这样的小陨石坑。

莫斯利解释说:“在新的荷鲁斯图像的帮助下,现在有可能比以前更好地了解月球阴影区域的地质情况。”。例如,小陨石坑的数量和形状提供了有关表面年龄和成分的信息。它还可以更容易地识别漫游者或宇航员的潜在障碍和危险。在莱布尼茨高原上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小陨石坑。“它相对明亮的颜色可能表明这个陨石坑相对年轻,”比克尔说。研究人员建议,因为这样一个新的疤痕提供了对更深层次的不受阻碍的洞察,这个地点可能成为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。

这项工作由前沿发展实验室(FDL.ai)支持。FDL是NASA、SETI研究所(SETI.org)和Trillium Technologies Inc.与卢森堡航天局和谷歌云合作达成的合作协议。


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