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AI提供了包含水冰的月球陨石坑的更清晰图像

瞿珠媚
摘要 月球的极地地区是陨石坑和其他从不接受阳光照射的洼地的所在地。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

月球的极地地区是陨石坑和其他从不接受阳光照射的洼地的所在地。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覆盖 17 个此类陨石坑的最高分辨率图像。这种类型的陨石坑可能含有冻结的水,使它们成为未来月球任务的有吸引​​力的目标,研究人员进一步关注被缓坡环绕的相对较小且易于接近的陨石坑。事实上,事实证明,其中三个陨石坑位于宇航局挥发性物质调查极地探索漫游车 (VIPER) 刚刚宣布的任务区域内,该探测器计划于 2023 年登陆月球。 对永久阴影陨石坑的内部进行成像是难的,迄今为止的努力都依赖于长时间的曝光,从而导致拖尾和分辨率降低。通过利用附近山丘的反射阳光和一种新颖的图像处理方法,研究人员现在已经以每像素 1-2 米的速度生成了图像,这已达到或非常接近相机的最佳性能。

月球是一个寒冷干燥的沙漠。与地球不同的是,它没有被保护性大气层包围,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,极地地区的火山口和洼地让人们有理由对有限的水资源抱有希望。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区域进行了仔细研究。

“在月球的南北两极附近,入射的阳光以非常浅的角度进入陨石坑和洼地,永远不会到达它们的某些地板,”MPS 科学家 Valentin Bickel,《自然通讯》新论文的第一作者,解释。在这个“永恒之夜”,一些地方的气温如此寒冷,以至于冰冻的水预计会持续数百万年。彗星或小行星的撞击可能导致了它,或者它可能被火山喷发释放出来,或者由地表与太阳风的相互作用形成。近年来,空间探测器对中子通量和红外辐射的测量表明,这些区域存在水。最终,宇航局的月球陨石坑观测和传感卫星 (LCROSS) 提供了直接证据:十二年前,探测器向被阴影笼罩的南极陨石坑 Cabeus 发射了一枚射弹。后来的分析表明,排放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待更长的时间,自然形成的水将是一种宝贵的资源——而阴暗的陨石坑和洼地将是一个重要的目的地。例如,宇航局的无人驾驶 VIPER 漫游车将在 2023 年探索南极地区并进入此类陨石坑。为了提前获得准确的地形和地质图像——例如,出于任务规划的目的——来自太空探测器的图像是必不可少的。自 2009 年以来,宇航局的月球勘测轨道飞行器 (LRO) 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异常困难。毕竟,唯一的光源是散射光,例如从地球和周围地形反射的光,以及微弱的星光。该研究的合著者、牛津大学的 Ben Moseley 解释说:“由于航天器在运动,LRO 图像在长时间曝光时完全模糊。” 在短曝光时间下,空间分辨率要好得多。然而,由于可用光量很少,这些图像以噪声为主,很难区分真实的地质特征。

为了解决这个问题,研究人员开发了一种名为 HORUS(超高效噪声去除 U-net 软件)的机器学习算法,可以“清理”这些嘈杂的图像。它使用在月球暗面拍摄的 70,000 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约 1-2 米的分辨率,这比之前所有可用图像的分辨率高出五到十倍。

使用这种方法,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,这些区域的大小在 0.18 到 54 平方公里之间。在生成的图像中,可以比以前更清楚地辨别出只有几米宽的小型地质结构。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,非常小的陨石会反复落到其表面并形成这样的小陨石坑。

“在新的 HORUS 图像的帮助下,现在可以比以前更好地了解月球阴影区域的地质,”莫斯利解释说。例如,小陨石坑的数量和形状提供了有关表面年龄和组成的信息。它还可以更轻松地识别漫游者或宇航员的潜在障碍和危险。在位于莱布尼茨高原的一个研究陨石坑中,研究人员发现了一个非常明亮的迷你陨石坑。“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的相当畅通无阻的洞察力,这个站点可能是未来任务的一个有趣目标。

新图像没有提供表面冻结水的证据,例如亮斑。“我们瞄准的一些地区可能有点太热了,”比克尔推测。月球水很可能根本不作为地表清晰可见的沉积物存在——相反,它可能与风化层和尘埃混合,或者可能隐藏在地下。

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。“在当前的出版物中,我们想展示我们的算法可以做什么。现在我们希望尽可能全面地应用它,”Bickel 说。