用人工智能窥视月亮的阴影

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。

月亮是一种寒冷的干燥沙漠。与地球不同,它不受在月球形成期间存在的保护气氛和水,因为在太阳辐射的影响下蒸发并逃逸到太空中。尽管如此,极地地区的陨石坑和萧条都有理由希望有限的水资源。来自MPS的科学家,牛津大学和美国宇航局Ames研究中心现在已经仔细看了一些这些地区。

“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。例如,NASA的无人VIPER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(LRO)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。“因为航天器在运动,LRO图像在长时间曝光时完全模糊,”牛津大学的Ben Moseley解释说,他是这项研究的合著者。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。

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。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,可以“清除”这样的噪声图像。它使用了在月球黑暗面拍摄的70000多张LRO校准图像,以及有关相机温度和航天器轨迹的信息来区分图像中的哪些结构是伪影,哪些是真实的。通过这种方式,研究人员可以实现每像素1-2米的分辨率,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。

新的图像没有提供表面结冰的证据,比如亮斑。比克尔推测:“我们瞄准的一些地区可能有点太热了。”。月球表面的水很可能根本就不是一种清晰可见的沉积物,而是和表土和灰尘混合在一起,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研究尽可能多的阴影区域。比克尔说:“在目前的出版物中,我们想展示我们的算法能做什么。现在我们想尽可能全面地应用它。”。

这项工作已经由前沿开发实验室(FDL.ai)实现。FDL是美国宇航局、SETI研究所(seti.org)和Trillium技术公司与卢森堡航天局和谷歌Cloud合作达成的一项合作协议。


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