Mirando en las sombras de la Luna

La inteligencia artificial ahora proporciona imágenes más nítidas de los cráteres lunares que contienen agua helada

Las regiones polares de la Luna albergan cráteres y otras depresiones que nunca reciben luz solar. Hoy, un grupo de investigadores dirigido por el Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar (MPS) en Alemania presenta las imágenes de mayor resolución hasta la fecha que cubren 17 de estos cráteres. 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 más en cráteres relativamente pequeños y accesibles rodeados de pendientes suaves. De hecho, tres de los cráteres resultaron estar dentro del área de la misión recién anunciada del Vehículo de Exploración Polar de Investigación de Volátiles de la NASA (VIPER), que está programado para aterrizar en la Luna en 2023. Es difícil obtener imágenes del interior de los cráteres en sombra permanente, y los esfuerzos hasta ahora se han basado en tiempos de exposición prolongados que han dado como resultado manchas y una resolución más baja. Aprovechando la luz solar reflejada de las colinas cercanas y un método de procesamiento de imágenes novedoso, 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.

Agrandar imagen. 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) … [más]
Créditos: MPS / Universidad de Oxford / Centro de Investigación Ames de la NASA / FDL / Instituto SETI

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

Agua en los cráteres en sombra permanente: un recurso valioso

«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 del MPS Valentin Bickel, primer autor del nuevo artículo en Nature Communications. En esta «noche eterna», las temperaturas en algunos lugares son tan frías que se espera que el agua helada haya durado millones de años. Los impactos de cometas o asteroides podrían haberla traído, o podría haber sido desgasificada 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 de la NASA (LCROSS) proporcionó una prueba directa: hace doce años, la sonda disparó un proyectil en el sombreado cráter del polo sur Cabeus. Como mostró un análisis posterior, la nube de polvo emitida al espacio contenía una cantidad considerable de agua.

Sin embargo, las regiones en sombra permanente no solo son de interés científico. Si los humanos van a pasar períodos prolongados de tiempo en la Luna, el agua natural será un recurso valioso, y los cráteres y depresiones sombreados serán un destino importante. El rover VIPER sin tripulación de la NASA, por ejemplo, explorará la región del Polo Sur en 2023 y entrará en tales cráteres. Para obtener una imagen precisa de su topografía y geología de antemano, por ejemplo, para fines de planificación de misiones, las imágenes de sondas espaciales son indispensables. El Lunar Reconnaissance Orbiter ( LRO ) de la NASA ha estado proporcionando este tipo de imágenes desde 2009.

Una solución para superar la dificultad de sacar fotos en zonas muy oscuras: HORUS

Sin embargo, capturar imágenes dentro de la profunda oscuridad de las regiones en sombra permanente es excepcionalmente difícil; después de todo, las únicas fuentes de luz son la luz dispersa, como la que se refleja de la Tierra y de la topografía circundante, y la tenue luz de las estrellas. «Debido a que la nave espacial está en movimiento, las imágenes LRO están completamente borrosas en tiempos de exposición prolongados», 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 la pequeña cantidad de luz disponible, estas imágenes están dominadas por el ruido, lo que dificulta la distinción de características geológicas reales.

Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado un algoritmo de aprendizaje automático llamado HORUS (Hyper-effective nOise Removal U-net Software) que «limpia» esas imágenes ruidosas. Utiliza más de 70.000 imágenes de calibración del 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.

Un cráter aún sin nombre en la región del polo sur de la Luna. Está ubicado en la meseta de Leibnitz, en las proximidades directas del área de misión objetivo del vehículo de exploración polar de investigación de volátiles de la NASA ( VIPER ). La imagen de la izquierda muestra una fotografía 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.  
© Izquierda: NASA / LROC / GSFC / ASU; 
Derecha: MPS / Universidad de Oxford / Centro de Investigación Ames de la NASA / FDL / Instituto SETI

Descubriendo con HORUS la geología de regiones lunares en sombra y obteniendo más información

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 diámetro se pueden discernir con mucha más claridad 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 lunares en sombra mucho mejor que antes», explica Moseley. Por ejemplo, el número y la forma de los pequeños cráteres proporcionan información sobre la edad y 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 mini cráter sorprendentemente brillante. «Su color comparativamente brillante puede indicar que este cráter es relativamente joven», dice Bickel. Debido a que una cicatriz tan reciente proporciona una visión sin obstáculos de las capas más profundas, este sitio podría ser un objetivo interesante para futuras misiones, sugieren los investigadores. 

Las imágenes no muestran evidencia de hielo de agua en la superficie

Las nuevas imágenes no proporcionan evidencia de agua congelada en la superficie, como manchas brillantes.  «Algunas de las regiones que hemos apuntado pueden ser un poco demasiado cálidas», especula Bickel. Es probable que el agua lunar no exista en absoluto como un depósito claramente visible en la superficie; en cambio, podría estar entremezclada con el regolito y el polvo, o puede estar escondida 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.

Fuente: Max Planck Institute for Solar System Research.

Artículo original:Peering into the Moon’s shadows‘. September 23, 2021.

Material relacionado

Agua en la Luna: una perspectiva histórica

El siguiente es un artículo publicado en «astrobites» de la Dra. Maria Drout, que es una breve descripción para todo público del trabajo (paper) del 2012 del Dr. Arlin Crotts (fallecido en 2015) de la Universidad de Columbia.

Sobre las misiones Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) y LCROSS

La excelente página del LRO con todo el material de la misión:

Al estrellarse contra la Luna para la ciencia, LCROSS encontró agua helada en un cráter lunar oscuro y frío. La publicación a continuación lo presenta y contiene links y recursos sobre la misión.

Re examinando las muestras de suelo lunar traídas durante el Programa Apollo con tecnología del Siglo XXI: detección de agua

El investigador de la ‘Open University (OU)’ el Dr. Mahesh Anand, describe en el video (corto) a continuación la búsqueda de agua en la Luna en la OU y lo que eso significa para las misiones futuras. El Dr. Anand aborda la cuestión clave de si hay agua en otros planetas. Muestra algunas rocas lunares que sus investigadores han estado usando a lo largo de los años y arroja algo de luz sobre la fuente de agua que se encuentra en ellas.

Crédito: Open University.

Para un análisis en profundidad del tema ver:

Crédito: Open University / Royal Astronomical Society.

Algunos artículos interesantes de nuestro acervo sobre el tema

Las observaciones terrestres independientes de la Luna confirman observaciones anteriores de naves espaciales de que la hidratación en la superficie lunar varía con la temperatura.

La hidratación (en azul) en la superficie lunar observada desde la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA. Se ve aquí superpuesta a una imagen de la Luna adquirida por el Orbitador de Reconocimiento Lunar. 
Crédito: NASA , modificado por Casey I. Honniball.

El artículo siguiente lo presenta y contiene además recursos sobre los procesos de formación de agua en la Luna y de cómo se mueven las moléculas de agua en la superficie lunar.

SOFIA descubre agua en la superficie de la Luna iluminada por el Sol

Esta ilustración destaca el cráter Clavius ​​de la Luna con una ilustración que representa el agua atrapada en el suelo lunar allí. Está acompañada con una imagen del Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) que encontró agua en la parte de la Luna iluminada por el Sol.
Créditos: NASA / Daniel Rutter.

El Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) ha confirmado, por primera vez, la presencia de agua en la superficie de la Luna iluminada por el Sol. Este descubrimiento indica que el agua puede estar distribuida por la superficie lunar, y no se limita a lugares fríos y sombreados.

Estudio de la NASA destaca la importancia de las sombras superficiales en el rompecabezas del agua de la Luna

La Luna está cubierta de cráteres y rocas, creando una superficie rugosa que proyecta sombras, como se ve en la fotografía de la misión Apolo 17 de 1972. Estas sombras frías pueden permitir que el hielo se acumule en forma de escarcha incluso durante el día. El área de detalle se amplía en la tercera imagen de este artículo.
Crédito: NASA.

Las sombras proyectadas por la rugosidad de la superficie de la Luna crean pequeños puntos fríos permitiendo que el hielo de agua se acumule incluso durante el duro día lunar.

Curiosidades

Primera evidencia de que la magnetosfera de la Tierra puede crear agua en la superficie lunar

Representación artística de la Luna en la magnetosfera terrestre, con el «viento de la Tierra». Éste está compuesto por iones de oxígeno (gris) e iones de hidrógeno (azul brillante) que fluyen, que pueden reaccionar con la superficie lunar para crear agua. 
La Luna pasa más del 75% de su órbita en el viento solar (amarillo), que está bloqueado por la magnetosfera el resto del tiempo. (Agrandar imagen).
Crédito: E. Masongsong, UCLA EPSS, NASA GSFC SVS.

Antes de la era Apolo, se pensaba que la Luna estaba seca como un desierto debido a las temperaturas extremas y la dureza del entorno espacial. Desde entonces, muchos estudios han descubierto agua lunar. Hielo en cráteres polares sombreados, agua ligada a rocas volcánicas e inesperados depósitos de hierro oxidado en el suelo lunar. A pesar de estos hallazgos, todavía no hay una confirmación verdadera de la extensión u origen del agua superficial lunar.

La teoría predominante es que los iones de hidrógeno cargados positivamente propulsados ​​por el viento solar bombardean la superficie lunar. Al hacerlo, reaccionan espontáneamente para producir agua (como hidroxilo (OH – ) y molecular (H 2 O)). Pero, un nuevo estudio multinacional publicado en Astrophysical Journal Letters propone que el viento solar puede no ser la única fuente de iones formadores de agua. Los investigadores muestran que las partículas de la Tierra también pueden sembrar la Luna con agua. Esto implica, que otros planetas también podrían aportar agua a sus satélites.

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