«Мы не увидели льда». Ученые впервые заглянули в вечно темные кратеры на Луне
Астрономы впервые смогли узнать, что творится в вечно темных кратерах на Южном полюсе Луны, куда никогда не проникает солнечный свет. Используя машинное обучение и анализируя отдельные отразившиеся фотоны, они построили карту самых интересных кратеров, но чистого льда там не увидели. О том, куда ученые советуют отправиться астронавтам, которые собираются высадиться на Луну, рассказывается в статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters.
В ближайшие пару лет сразу несколько автоматических миссий будут отправлены разными странами и частными компаниями на поверхность Луны, а по планам NASA в 2024-25 годах на поверхность спутника впервые после полувекового перерыва высадятся американские астронавты.
С точки зрения науки и освоения Луны наибольший интерес сейчас представляют вечно затененные районы в области Южного полюса спутника Земли. Связано это, во-первых, с малой изученностью этих областей, а во-вторых, с предполагаемым наличием там залежей водяного льда и других летучих веществ, которые при низких температурах могут существовать в твердом состоянии под поверхностью.
В низинах и в первую очередь на дне ударных кратеров, куда прямые солнечные лучи не проникали на протяжении последних миллионов или даже миллиардов лет, может сохраняться экстремально низкая температура от −170° до −240°С — ниже, чем на поверхности Плутона. При более высоких температурах лед быстро сублимируется и превращается в газ, рассеиваясь в вакууме. При таких низких температурах лед, как и другие летучие вещества, может долго сохраняться в своеобразных ловушках под поверхностью или даже в чистом виде на ней.
Приполярная область станет целью и давно готовящейся российской миссии «Луна-25», которая не то полетит, не то будет в очередной раз отложена в сентябре этого года. Кроме того, в 2024 или 2025 году китайские ученые планируют отправить на Южный полюс аппарат «Чанъэ-7».
Обнаружение льда в будущих миссиях сулит не только получение ответа на фундаментальный вопрос о происхождении воды на Земле, но и возможное использование этих залежей в практических целях астронавтами — для поддержания жизнедеятельности, защиты от радиации, производства ракетного топлива и т. п.
Ранее с помощью снимков с орбиты Луны ученым удалось обнаружить немало постоянно затененных полярных областей (permanently shadowed regions — PSR), куда никогда не проникают прямые солнечные лучи. Многие из планируемых посадочных миссий собираются направить в окрестности кратера Шеклтон диаметром 21 км, края которого почти всегда освещены Солнцем, а внутренняя часть — постоянно в тени. Ранее в этом районе даже были выбраны особенно удобные для посадки, приподнятые над местностью точки 001 и 004, которые, с одной стороны, имеют оптимальное освещение Солнцем и прямую видимость с Земли, с другой — включают множество вечно затененных областей диаметром от нескольких метров до 1,3 км.
До недавнего времени ученые не могли заглянуть в затемненные кратеры из-за почти полного отсутствия освещения их дна. Однако международная группа ученых под руководством Валентина Биккеля из Швейцарской высшей технической школы Цюриха сумела «пролить свет» на ранее считавшиеся недоступными для изучения области. В этом им помогли снимки с орбитального аппарата NASA — Lunar Reconnaissance Orbiter, который уже 13 лет изучает поверхность Луны.
Дело в том, что несмотря на отсутствие прямого солнечного освещения, в некоторые темные области слабый свет все-таки проникает, отражаясь от краев кратеров и соседних горных вершин. Эти отраженные от поверхности кратеров фотоны способна зафиксировать узкоугольная камера Narrow Angle Camera (NAC) орбитального зонда. Используя специальный алгоритм машинного обучения HORUS, астрономы научились обрабатывать снимки затемненных областей и удалять из них шумовое загрязнение, в результате получая изображение деталей темных кратеров. Для «обучения» HORUS были использованы 200 тыс. изображений, сделанных в полярных областях Луны за 13 лет.
Такую обработку изображений ученые провели для 44 вечно темных областей в месте предполагаемой высадки американских астронавтов по программе «Артемида». «Мы искали ударные кратеры, камни, ступенчатые особенности, текстурированные поверхности, а также другие потенциально интересные детали, включая выходы льда», — пишут ученые в журнале Geophysical Research Letters.
После исследования 36 из 44 выбранных областей ученые пришли к неутешительному, хотя и неокончательному для будущих астронавтов выводу, что отложений чистого льда на поверхности в этих местах нет. «Мы не увидели следов чистого льда на поверхности внутри затененных областей, что говорит о том, что лед может быть смешан с лунным грунтом или лежать под поверхностью», — считает Биккель.
Тем не менее ученым удалось впервые заглянуть в темные кратеры и разглядеть особенности их строения. «Теперь внутри постоянно затененных областей могут быть проложены видимые маршруты, что весьма снизит риски для астронавтов „Артемиды“ и роботов-исследователей», — пояснил соавтор исследования Дэвид Кринг.
Скафандры, которые разрабатывают для участников лунной высадки, позволят им в течение как минимум двух часов находиться в темноте и выполнять поставленные задачи. Используя полученные снимки, руководители миссии смогут сразу направлять астронавтов к интересным камням и объектам на дне кратеров для взятия образцов, считают ученые.
По оценкам исследователей, лишь 16 из изученных вечно темных областей будут в будущем доступны для астронавтов, которые могут отходить от своих посадочных аппаратов не больше чем на два километра. Из этих 16 ученые отобрали 8 потенциально интересных районов. «O01b — умеренно старая и холодная затененная полярная область, которая может иметь поверхностный лед, ступенчатые особенности, кратеры, в том числе свежие. Однако доступ в ее центр возможно потребует ровера для движения по склону крутизной 20 градусов. К тому же там нулевая видимость Земли», — говорится в описании одного из мест.
Полученные учеными данные могут напрямую использоваться и при выборе мест для посадки автоматических миссий, которые будут отправлены на Луну уже в скором времени. Одной из них станет автономный робот PRIME-2 американской частной компании Intuitive Machines, который запустят в конце 2022 или начале 2023 года. «Мы обнаружили 50-метровый кратер и другие особенности поверхности в затененной области, куда может сесть прыгающий лендер производства Intuitive Machines», — пояснил Биккель.