*新研究的17个陨石坑和洼地位于南极附近。这些区域中最小的（区域11）只有0.18平方公里，而最大的（区域9）只有54平方公里。区域9不位于这里所显示的南极区域，而是位于薛定谔盆地。这里显示的月球表面的表示是基于来自月球侦察轨道飞行器的高度计数据。图片来源：©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。
月球的两极是陨石坑和其他洼地的所在地，没有阳光照射。近日，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最高分辨率的图像，覆盖了17个这样的陨石坑。这种类型的陨石坑可能含有水冰，这使它们成为未来月球任务的诱人目标，研究人员进一步集中在相对较小和周围有缓坡、容易接近的陨石坑。事实上，其中3个陨石坑位于美国宇航局（NASA）刚刚公布的计划于2023年登陆月球的探测车（VIPER）的任务区域内。对永久性阴影下的陨石坑内部进行成像是很困难的，到目前为止的工作都依赖于长时间的曝光，这就导致了噪点和低分辨率。现在，研究人员通过利用附近山上反射的阳光和一种新的图像处理方法，现在已经生成了每像素1-2米的图像，这已经非常接近相机的最佳性能。
月球是一片寒冷干燥的荒漠。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到了太空中。然而，极地地区的陨石坑和洼地让人们有理由对有限的水资源报以希望。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地区进行了更近距离的观察。
《自然通讯》这篇新论文的第一作者、MPS科学家瓦伦丁·比克尔解释说，在月球南极和北极附近，的阳光以非常低的角度射入陨石坑和洼地，有些地方阳光永远也无法到达。在这个“永恒的夜晚”，一些地方的温度是如此之低，水冰可以持续数百万年。这些水冰可能是彗星或小行星的撞击造成的，也可能是火山爆发释放的气体，或者是月球表面与太阳风的相互作用形成的。近年来空间探测器对中子通量和红外辐射的测量表明，这些地区存在水。最终，美国宇航局的月球陨石坑观测与传感卫星(（LCROSS）提供了直接证据——12年前，该探测器向位于南极的阴暗的Cabeus陨石坑发射了一枚炮弹。后来的分析表明，释放到太空中的尘雾中含有大量的水。
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，自然存在的水是一种宝贵的资源，阴影笼罩的环形山和洼地将是一个重要的目的地。例如，美国宇航局（NASA）的“VIPER”无人探测车将于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，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年以来一直在提供这类图像。
然而，在永久阴影区域的黑暗中捕捉图像异常困难，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线，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：“因为宇宙飞船是在运动的，LRO图像长时间曝光是完全模糊的。”如果较短时间曝光，分辨率要好得多。然而，由于可用的光量较少，这些图像有太多噪点，很难区分真实的地质特征。
*月球南极地区一个尚未命名的陨石坑。它位于莱布尼茨高原，接近美国宇航局挥发物极地探索车(VIPER)的目标任务区域。左图是月球勘测轨道飞行器拍摄的照片。陨石坑的内部几乎看不见。右图为HORUS机器学习算法处理后的图像。左图:NASA/LROC/GSFC/ASU;右: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(超有效噪点去除U-net软件)的机器学习算法，可以“清除”这些噪点图像。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伪影，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，小的陨石不断地落在月球表面，形成了这些微型陨石坑。
莫斯利解释说，在新的HORUS图像软件的帮助下，现在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地表年龄和组成的信息。它还可以更容易地为月球车或宇航员识别潜在的障碍和危险。例如在莱布尼茨高原，研究人员发现了一个非常明亮的微型陨石坑，它相对明亮的颜色可能表明这个陨石坑相对年轻。
新图像没有直接提供月球表面水冰的证据，比如明亮的斑块。比克尔推测：“我们所瞄准的一些地区可能稍微太热了。”月球上的水很可能根本不是表面清晰可见的沉积物——相反，它可能与风化层和尘埃混合，或者可能隐藏在地表之下。
研究人员的下一步计划是使用HORUS来研究尽可能多的阴影区域。“在目前的研究报告中，我们想展示我们的算法能做什么。接下来我们想要尽可能全面地应用它。”比克尔说。
（独家编译：科幻世界）
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