Descubrimiento IMP para la Investigación del Sistema Solar

La Inteligencia Artificial proporciona imágenes más nítidas de cráteres lunares que contienen hielo de agua

23. Septiembre 2021

Las regiones polares de la Luna albergan cráteres y otras depresiones que nunca reciben luz solar. Un grupo de investigadores dirigido por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) en Gottingen, presenta las imágenes de mayor resolución hasta la fecha que cubren 17 de estos cráteres en la revista Nature Communications. Los cráteres de este tipo podrían contener agua congelada, lo que los convierte en objetivos atractivos para futuras misiones lunares, y los investigadores se centraron aún más en cráteres relativamente pequeños y accesibles rodeados de leves pendientes. De hecho, tres de los cráteres resultaron estar dentro del área de misión recién anunciada del Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) de la NASA, que está programado para aterrizar en la Luna en 2023. Obtener imágenes del interior de cráteres permanentemente a la sombra es difícil, y los esfuerzos hasta ahora se habían basado en largos tiempos de exposición, lo que resultaba en imágenes con manchas y de baja resolución. Al aprovechar la luz solar reflejada de las colinas cercanas y un nuevo método de procesamiento de imágenes, los investigadores ahora han producido imágenes a 1-2 metros por píxel, que está en o muy cerca de la mejor capacidad de las cámaras.

La Luna es un desierto frío y seco. A diferencia de la Tierra, no está rodeada por una atmósfera protectora y el agua que existió durante la formación de la Luna se evaporó hace mucho tiempo bajo la influencia de la radiación solar y escapó al espacio. Sin embargo, los cráteres y las depresiones en las regiones polares dan alguna razón para esperar recursos hídricos limitados. Científicos de MPS, la Universidad de Oxford y el Centro de Investigación Ames de la NASA analizaron más de cerca algunas de estas regiones.



Los 17 cráteres y depresiones recientemente estudiados se encuentran cerca del Polo Sur. Mientras que la más pequeña de estas regiones (región 11) tiene un tamaño de solo 0,18 kilómetros cuadrados, la más grande (región 9) mide 54 kilómetros cuadrados. La Región 9 no se encuentra en la sección de la región polar sur que se muestra aquí, sino un poco más al norte, en la cuenca de Schrödinger. Las representaciones de la superficie lunar que se muestran aquí se basan en datos de altímetros del Lunar Reconnaissance Orbiter.


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Los 17 cráteres y depresiones recientemente estudiados se encuentran cerca del Polo Sur. Mientras que la más pequeña de estas regiones (región 11) tiene un tamaño de solo 0,18 kilómetros cuadrados, la más grande (región 9) mide 54 kilómetros cuadrados. La Región 9 no se encuentra en la sección de la región polar sur que se muestra aquí, sino un poco más al norte, en la cuenca de Schrödinger. Las representaciones de la superficie lunar que se muestran aquí se basan en datos de altímetros del Lunar Reconnaissance Orbiter.


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"Cerca de los polos norte y sur lunares, la luz solar incidente entra en los cráteres y depresiones en un ángulo muy poco profundo y nunca llega a algunos de sus pisos", explica el científico de MPS, el Dr. Valentin Bickel, primer autor del nuevo artículo. En esta "noche eterna", las temperaturas en algunos lugares son tan frías que se espera que el agua congelada haya durado millones de años. Esta puede ser el resultado de los impactos de cometas o asteroides , o podría haber sido desgaseada por erupciones volcánicas, o formada por la interacción de la superficie con el viento solar. Las mediciones del flujo de neutrones y la radiación infrarroja obtenidas por sondas espaciales en los últimos años indican la presencia de agua en estas regiones. Finalmente, el Satélite de Observación y Detección de Cráteres Lunares (LCROSS) de la NASA proporcionó una prueba directa: hace doce años, la sonda disparó un proyectil contra el cráter Cabeus del polo sur sombreado. Como mostraron análisis posteriores, la nube de polvo emitida al espacio contenía una cantidad considerable de agua.

Sin embargo, las regiones permanentemente sombreadas no solo son de interés científico. Si los humanos alguna vez pasan largos períodos de tiempo en la Luna, el agua natural será un recurso valioso, y los cráteres sombreados y las depresiones serán un destino importante. El rover VIPER no tripulado de la NASA, por ejemplo, explorará la región del Polo Sur en 2023 y entrará en dichos cráteres. Para obtener una imagen precisa de su topografía y geología por adelantado, por ejemplo, para fines de planificación de misiones, las imágenes de las sondas espaciales son indispensables. El Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA ha estado proporcionando estas imágenes desde 2009.

Sin embargo, capturar imágenes dentro de la profunda oscuridad de regiones permanentemente sombreadas es excepcionalmente difícil; después de todo, las únicas fuentes de luz son la luz dispersa, como la que se refleja en la Tierra y la topografía circundante, y la tenue luz de las estrellas. "Debido a que la nave espacial está en movimiento, las imágenes LRO  en tiempos de exposición largos resultan completamente borrosas", explica Ben Moseley de la Universidad de Oxford, coautor del estudio. En tiempos de exposición cortos, la resolución espacial es mucho mejor. Sin embargo, debido a las pequeñas cantidades de luz disponibles, estas imágenes están dominadas por el ruido, lo que dificulta la distinción de las características geológicas reales.



Un cráter aún sin nombre (región 1 en la figura 1) en la región polar sur de la Luna. Se encuentra en la meseta de Leibnitz, en las proximidades directas del área de misión objetivo del Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) de la NASA. La imagen de la izquierda muestra una imagen tomada por el Lunar Reconnaissance Orbiter. El interior del cráter casi no es visible. La imagen de la derecha muestra la misma imagen después de que se procesó con el algoritmo de aprendizaje automático HORUS.


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Un cráter aún sin nombre (región 1 en la figura 1) en la región polar sur de la Luna. Se encuentra en la meseta de Leibnitz, en las proximidades directas del área de misión objetivo del Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) de la NASA. La imagen de la izquierda muestra una imagen tomada por el Lunar Reconnaissance Orbiter. El interior del cráter casi no es visible. La imagen de la derecha muestra la misma imagen después de que se procesó con el algoritmo de aprendizaje automático HORUS.

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Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado un algoritmo de aprendizaje automático llamado HORUS (Hyper-effective nOise Removal U-net Software) que "limpia" imágenes tan ruidosas. Utiliza más de 70,000 imágenes de calibración LRO tomadas en el lado oscuro de la Luna, así como información sobre la temperatura de la cámara y la trayectoria de la nave espacial para distinguir qué estructuras en la imagen son artefactos y cuáles son reales. De esta manera, los investigadores pueden lograr una resolución de aproximadamente 1-2 metros por píxel, que es de cinco a diez veces mayor que la resolución de todas las imágenes disponibles anteriormente.

Usando este método, los investigadores ahora han reevaluado imágenes de 17 regiones sombreadas de la región del polo sur lunar que miden entre 0,18 y 54 kilómetros cuadrados de tamaño. En las imágenes resultantes, las pequeñas estructuras geológicas de solo unos pocos metros de ancho se pueden discernir mucho más claramente que antes. Estas estructuras incluyen rocas o cráteres muy pequeños, que se pueden encontrar en todas partes de la superficie lunar. Dado que la Luna no tiene atmósfera, meteoritos muy pequeños caen repetidamente sobre su superficie y crean tales mini-cráteres.

"Con la ayuda de las nuevas imágenes de HORUS, ahora es posible comprender la geología de las regiones sombreadas lunares mucho mejor que antes", explica Moseley. Por ejemplo, el número y la forma de los pequeños cráteres proporcionan información sobre la edad y la composición de la superficie. También facilita la identificación de posibles obstáculos y peligros para los rovers o astronautas. En uno de los cráteres estudiados, ubicado en la meseta de Leibnitz, los investigadores descubrieron un minicrátor sorprendentemente brillante. "Su color comparativamente brillante puede indicar que este cráter es relativamente joven", dice Bickel. Debido a que una cicatriz tan fresca proporciona una visión bastante sin obstáculos de las capas más profundas, este sitio podría ser un objetivo interesante para futuras misiones, sugieren los investigadores.

Las nuevas imágenes no proporcionan evidencia de agua congelada en la superficie, como parches brillantes. "Algunas de las regiones a las que nos hemos dirigido podrían ser un poco demasiado cálidas", especula Bickel. Es probable que el agua lunar no exista como un depósito claramente visible en la superficie en absoluto, en cambio, podría mezclarse con el regolito y el polvo, o puede estar oculta bajo tierra.

Para abordar esta y otras preguntas, el siguiente paso de los investigadores es usar HORUS para estudiar tantas regiones sombreadas como sea posible. "En la publicación actual, queríamos mostrar lo que nuestro algoritmo puede hacer. Ahora queremos aplicarlo de la manera más completa posible", dice Bickel.

Este trabajo ha sido habilitado por el Frontier Development Lab (FDL.ai). FDL es un acuerdo cooperativo entre la NASA, el Instituto SETI (seti.org) y Trillium Technologies Inc, en asociación con la Agencia Espacial de Luxemburgo y Google Cloud.

 
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