Månens polarområden är hem för kratrar och andra sänkor som aldrig får solljus. I dag, en grupp forskare under ledning av Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) i Tyskland presenterar de högst upplösta bilderna hittills som täcker 17 sådana kratrar. Kratrar av denna typ kan innehålla fruset vatten, gör dem till attraktiva mål för framtida månuppdrag, och forskarna fokuserade vidare på relativt små och tillgängliga kratrar omgivna av mjuka sluttningar. Faktiskt, tre av kratrarna har visat sig ligga inom det just tillkännagivna uppdragsområdet för NASA:s Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), som är planerad att landa på månen 2023. Att avbilda det inre av permanent skuggade kratrar är svårt, och ansträngningar hittills har förlitat sig på långa exponeringstider som resulterat i utsmetning och lägre upplösning. Genom att dra fördel av reflekterat solljus från närliggande kullar och en ny bildbehandlingsmetod, forskarna har nu tagit fram bilder med 1–2 meter per pixel, som är på eller mycket nära kamerornas bästa kapacitet.

Månen är en kall, torr öken. Till skillnad från jorden, den är inte omgiven av en skyddande atmosfär och vatten som fanns under månens bildning har för länge sedan avdunstat under påverkan av solstrålningen och flytt ut i rymden. Ändå, kratrar och sänkor i polarområdena ger viss anledning att hoppas på begränsade vattenresurser. Forskare från MPS, University of Oxford och NASA Ames Research Center har nu tittat närmare på några av dessa regioner.

"Nära månens nord- och sydpol, det infallande solljuset kommer in i kratrarna och fördjupningarna i en mycket ytlig vinkel och når aldrig några av deras golv, "MPS-forskaren Valentin Bickel, första författare till den nya tidningen i Naturkommunikation , förklarar. I denna "eviga natt, " Temperaturerna på vissa platser är så kalla att fruset vatten förväntas ha hållit i miljontals år. Nedslag från kometer eller asteroider kunde ha levererat det, eller så kunde den ha blivit utgasad av vulkanutbrott, eller bildas av ytans samverkan med solvinden. Mätningar av neutronflöde och infraröd strålning som erhållits av rymdsonder de senaste åren indikerar närvaron av vatten i dessa regioner. Så småningom, NASA:s Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) gav direkt bevis:för tolv år sedan, sonden sköt en projektil in i den skuggade sydpolskratern Cabeus. Som senare analys visade, dammmolnet som släpptes ut i rymden innehöll en ansenlig mängd vatten.

Dock, permanent skuggade regioner är inte bara av vetenskapligt intresse. Om människor någonsin ska tillbringa längre perioder på månen, naturligt förekommande vatten kommer att vara en värdefull resurs – och skuggade kratrar och sänkor kommer att vara en viktig destination. NASA:s obemannade VIPER-rover, till exempel, kommer att utforska sydpolsregionen 2023 och gå in i sådana kratrar. För att få en exakt bild av deras topografi och geologi i förväg—för uppdragsplaneringsändamål, till exempel – bilder från rymdsonder är oumbärliga. NASA:s Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) har tillhandahållit sådana bilder sedan 2009.

Dock, att ta bilder i det djupa mörkret av permanent skuggade områden är exceptionellt svårt; trots allt, de enda ljuskällorna är spritt ljus, som den som reflekteras från jorden och den omgivande topografin, och svagt stjärnljus. "Eftersom rymdfarkosten är i rörelse, LRO-bilderna är helt suddiga vid långa exponeringstider, " förklarar Ben Moseley vid University of Oxford, en medförfattare till studien. Vid korta exponeringstider, den rumsliga upplösningen är mycket bättre. Dock, på grund av de små mängderna ljus som finns tillgängligt, dessa bilder domineras av brus, vilket gör det svårt att urskilja verkliga geologiska egenskaper.

För att lösa detta problem, forskarna har utvecklat en maskininlärningsalgoritm som heter HORUS (Hyper-effective nOise Removal U-net Software) som "rensar upp" sådana brusiga bilder. Den använder mer än 70, 000 LRO-kalibreringsbilder tagna på månens mörka sida samt information om kameratemperatur och rymdfarkostens bana för att urskilja vilka strukturer i bilden som är artefakter och vilka som är verkliga. Den här vägen, forskarna kan uppnå en upplösning på cirka 1–2 meter per pixel, vilket är fem till tio gånger högre än upplösningen för alla tidigare tillgängliga bilder.

Med denna metod, forskarna har nu omvärderat bilder av 17 skuggade områden från månens sydpolsregion som mäter mellan 0,18 och 54 kvadratkilometer i storlek. I de resulterande bilderna, små geologiska strukturer bara några meter över kan urskiljas mycket tydligare än tidigare. Dessa strukturer inkluderar stenblock eller mycket små kratrar, som kan hittas överallt på månens yta. Eftersom månen inte har någon atmosfär, mycket små meteoriter faller upprepade gånger på dess yta och skapar sådana minikratrar.

"Med hjälp av de nya HORUS-bilderna, det är nu möjligt att förstå geologin för månskuggiga regioner mycket bättre än tidigare, " förklarar Moseley. Till exempel, de små kratrarnas antal och form ger information om ytans ålder och sammansättning. Det gör det också lättare att identifiera potentiella hinder och faror för rovers eller astronauter. I en av de studerade kratrarna, ligger på Leibnitzplatån, forskarna upptäckte en slående ljus minikrater. "Dess jämförelsevis ljusa färg kan tyda på att denna krater är relativt ung, säger Bickel. Eftersom ett sådant fräscht ärr ger ganska obehindrad insikt i djupare lager, den här webbplatsen kan vara ett intressant mål för framtida uppdrag, föreslår forskarna.

De nya bilderna ger inga bevis för fruset vatten på ytan, som ljusa fläckar. "Några av de regioner vi har riktat oss mot kan vara lite för varma, " Bickel spekulerar. Det är troligt att månens vatten inte alls existerar som en tydligt synlig avlagring på ytan - istället, det kan blandas med regoliten och damm, eller kan vara gömd under jorden.

För att ta itu med denna och andra frågor, forskarnas nästa steg är att använda HORUS för att studera så många skuggade områden som möjligt. "I den aktuella publikationen, vi ville visa vad vår algoritm kan göra. Nu vill vi tillämpa det så heltäckande som möjligt, säger Bickel.