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L’intelligenza artificiale fornisce immagini migliori dei crateri lunari che contengono ghiaccio d’acqua


 

I 17 crateri e depressioni appena studiati si trovano vicino al Polo Sud. Mentre la più piccola di queste regioni (regione 11) ha una dimensione di soli 0,18 chilometri quadrati, la più grande (regione 9) misura 54 chilometri quadrati. La regione 9 non si trova nella sezione della regione polare sud mostrata qui, ma un po’ più a nord, nel bacino di Schrödinger. 
Le regioni polari della luna ospitano crateri e altre depressioni che non ricevono mai la luce solare. Oggi, un gruppo di ricercatori guidati dall’Istituto Max Planck per la ricerca sul sistema solare (MPS) in Germania presenta le immagini a più alta risoluzione fino ad oggi che coprono 17 di questi crateri. Crateri di questo tipo potrebbero contenere acqua ghiacciata, rendendoli bersagli attraenti per future missioni lunari, e i ricercatori si sono concentrati ulteriormente su crateri relativamente piccoli e accessibili circondati da dolci pendii. In effetti, tre dei crateri si sono trovati all’interno dell’area di missione appena annunciata del Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) della NASA, che dovrebbe atterrare sulla luna nel 2023. Imaging dell’interno di crateri permanentemente in ombra è difficile, e finora gli sforzi si sono basati su lunghi tempi di esposizione con conseguente sbavatura e risoluzione inferiore. Sfruttando la luce solare riflessa dalle colline vicine e un nuovo metodo di elaborazione delle immagini, i ricercatori hanno ora prodotto immagini a 1-2 metri per pixel, che è pari o molto vicino alla migliore capacità delle telecamere.


La luna è un deserto freddo e arido. A differenza della Terra, non è circondata da un’atmosfera protettiva e l’acqua che esisteva durante la formazione della luna è evaporata da tempo sotto l’influenza della radiazione solare ed è fuggita nello spazio. Tuttavia, i crateri e le depressioni nelle regioni polari danno motivo di sperare in risorse idriche limitate. Scienziati dell’MPS, dell’Università di Oxford e del Centro di ricerca Ames della NASA hanno ora esaminato più da vicino alcune di queste regioni.

“Vicino ai poli lunari nord e sud, la luce solare incidente entra nei crateri e nelle depressioni con un angolo molto basso e non raggiunge mai alcuni dei loro piani”, lo scienziato MPS Valentin Bickel, primo autore del nuovo articolo su Nature Communications, spiega. In questa “notte eterna”, le temperature in alcuni luoghi sono così fredde che si prevede che l’acqua ghiacciata sia durata per milioni di anni. Gli impatti di comete o asteroidi potrebbero averlo prodotto, o potrebbe essere stato degassato da eruzioni vulcaniche o formato dall’interazione della superficie con il vento solare. Le misurazioni del flusso di neutroni e della radiazione infrarossa ottenute dalle sonde spaziali negli ultimi anni indicano la presenza di acqua in queste regioni. Alla fine, il Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) della NASA ha fornito una prova diretta: dodici anni fa, la sonda ha sparato un proiettile nel cratere del polo sud in ombra Cabeus. Come ha mostrato un’analisi successiva, la nuvola di polvere emessa nello spazio conteneva una notevole quantità di acqua.

Tuttavia, le regioni permanentemente in ombra non sono solo di interesse scientifico. Se gli esseri umani dovessero trascorrere lunghi periodi di tempo sulla luna, l’acqua naturale sarà una risorsa preziosa e i crateri e le depressioni in ombra saranno una destinazione importante. Il rover VIPER senza equipaggio della NASA, ad esempio, esplorerà la regione del Polo Sud nel 2023 ed entrerà in tali crateri. Per ottenere in anticipo un quadro preciso della loro topografia e geologia, ad esempio per scopi di pianificazione della missione, sono indispensabili le immagini delle sonde spaziali. Il Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA fornisce tali immagini dal 2009.


Tuttavia, catturare immagini all’interno della profonda oscurità di regioni permanentemente in ombra è eccezionalmente difficile; dopotutto, le uniche fonti di luce sono la luce diffusa, come quella che si riflette sulla Terra e sulla topografia circostante, e la debole luce delle stelle. “Poiché il veicolo spaziale è in movimento, le immagini LRO sono completamente sfocate a lunghi tempi di esposizione”, spiega Ben Moseley dell’Università di Oxford, coautore dello studio. Con tempi di esposizione brevi, la risoluzione spaziale è molto migliore. Tuttavia, a causa della scarsa quantità di luce disponibile, queste immagini sono dominate dal rumore, il che rende difficile distinguere le reali caratteristiche geologiche.

Un cratere ancora senza nome nella regione polare sud della Luna. Si trova sull’altopiano di Leibnitz, nelle immediate vicinanze dell’area di missione mirata del Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) della NASA. 
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo di apprendimento automatico chiamato HORUS (Software U-net di rimozione del rumore iperefficace) che “ripulisce” le immagini così rumorose. Utilizza più di 70.000 immagini di calibrazione LRO scattate sul lato oscuro della luna, nonché informazioni sulla temperatura della fotocamera e sulla traiettoria del veicolo spaziale per distinguere quali strutture nell’immagine sono artefatti e quali sono reali. In questo modo, i ricercatori possono ottenere una risoluzione di circa 1-2 metri per pixel, che è da cinque a dieci volte superiore alla risoluzione di tutte le immagini precedentemente disponibili.

Usando questo metodo, i ricercatori hanno ora rivalutato le immagini di 17 regioni in ombra della regione del polo sud lunare che misurano tra 0,18 e 54 chilometri quadrati di dimensione. Nelle immagini risultanti, si possono distinguere molto più chiaramente di prima piccole strutture geologiche di pochi metri di diametro. Queste strutture includono massi o crateri molto piccoli, che si possono trovare ovunque sulla superficie lunare. Poiché la luna non ha atmosfera, meteoriti molto piccoli cadono ripetutamente sulla sua superficie e creano tali mini-crateri.

“Con l’aiuto delle nuove immagini HORUS, ora è possibile comprendere la geologia delle regioni lunari in ombra molto meglio di prima”, spiega Moseley. Ad esempio, il numero e la forma dei piccoli crateri forniscono informazioni sull’età e sulla composizione della superficie. Inoltre, facilita l’identificazione di potenziali ostacoli e pericoli per i rover o gli astronauti. In uno dei crateri studiati, situato sull’altopiano di Leibnitz, i ricercatori hanno scoperto un mini-cratere straordinariamente luminoso. “Il suo colore relativamente brillante potrebbe indicare che questo cratere è relativamente giovane”, afferma Bickel. Poiché una cicatrice così recente fornisce una visione abbastanza libera degli strati più profondi, questo sito potrebbe essere un obiettivo interessante per missioni future, suggeriscono i ricercatori.

Le nuove immagini non forniscono prove di acqua ghiacciata sulla superficie, come macchie luminose. “Alcune delle regioni che abbiamo preso di mira potrebbero essere leggermente troppo calde”, ipotizza Bickel. È probabile che l’acqua lunare non esista affatto come un deposito chiaramente visibile sulla superficie, ma potrebbe essere mescolata con la regolite e la polvere, o potrebbe essere nascosta nel sottosuolo.

Per rispondere a questa e ad altre domande, il prossimo passo dei ricercatori è usare HORUS per studiare quante più regioni in ombra possibile. “Nella pubblicazione attuale, volevamo mostrare cosa può fare il nostro algoritmo. Ora vogliamo applicarlo nel modo più completo possibile”, afferma Bickel.

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