Миссии «Аполлон» NASA доказали, что люди могут добраться до Луны. Текущая программа Artemis проверит, сможем ли мы там жить и работать. Долгосрочное видение NASA предусматривает строительство базы на Луне, где астронавты смогут проводить исследования, тестировать новые технологии и готовиться к дальнейшему продвижению к Марсу.
Хорошая карта полезна при исследовании любого незнакомого места, но когда рельеф такой суровый и чуждый, как у Луны, она становится необходимой. Сегодня IBM и NASA открывают исходный код самой подробной модели для картографирования Луны на сегодняшний день. Она объединяет и гармонизирует десятилетия данных, собранных на американских и японских миссиях, пролетающих над нашим ближайшим небесным соседом.
Названная NASA-IBM Lunar Foundation Model, это первая ИИ-модель, интегрирующая наблюдения, полученные в различных модальностях, и под разными углами обзора и пространственными масштабами. Сводя эти разрозненные измерения в одно представление, исследователи создали модель Луны, которую, как и ранние модели Земли и Солнца, Prithvi EO и Surya, можно быстро адаптировать к разным задачам и повторно использовать.
Модель Луны ИИ имеет множество потенциальных применений, но NASA изначально приоритизировала три: картографирование меньших, не каталогизированных кратеров, которые покрывают поверхность Луны; исследование её вулканической истории; и поиск льда в кратерах обоих полюсов, который мог бы обеспечить будущие экипажи астронавтов источником питьевой воды, кислорода и топлива.
«Опытные путешественники знают, что нужно изучить ландшафт, прежде чем отправиться в чужую страну», — сказал Хуан Бернабе-Морено, директор IBM Research Europe для Ирландии и Великобритании. «Мы надеемся, что наша модель ИИ поможет научному сообществу исследовать лунный ландшафт и поможет следующему поколению астронавтов ориентироваться, прежде чем отправиться в космос.»
Рубашка Розетты для многосенсорных данных
Новая модель решает давнюю проблему для лунных ученых, обрабатывающих большие объемы многосенсорных данных в различных масштабах. Миссия NASA Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL), например, картографировала гравитационное поле Луны с масштабом 20 километров на пиксель, чтобы визуализировать её кору и подземные слои, в то время как NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) прилетела, чтобы искать лед, скрытый в темных полярных кратерах, и изображать небольшие валуны и края кратеров с масштабом 1 метр на пиксель.
Чтобы согласовать такой разнообразный набор измерений, IBM и NASA искали архитектуру ИИ, владеющую несколькими научными диалектами. Они выбрали версию TerraMind, модели наблюдения Земли, разработанной IBM и Европейским космическим агентством (ESA). TerraMind превосходно интегрирует различные типы данных и разрешения и обучается кросс-модальным корреляциям, чтобы заполнять пропущенные или шумные значения.
Одна область, в которой ученые будут обращаться к новой модели ИИ за помощью, — это понимание сложных условий освещения Луны. Лунный «день» состоит из двух недель солнечного света, за которыми следуют две недели темноты, что может кардинально изменить внешний вид поверхностных особенностей Луны.
Этот дезориентирующий эффект усиливается из-за незначительной атмосферы Луны. Без облаков или плотной атмосферы, как у Земли, чтобы рассеивать свет, Луна — это земля острых краев и резких контрастов, её вершины и долины затенены темными тенями и ярким блеском. Луна покрыта абразивным, липким слоем пыли и камней, называемым regolith, который также может создавать визуальные искажения в зависимости от угла Солнца (помимо разрыва космических костюмов, повреждения тканей легких и разрушения оборудования).
На полюсах ландшафт становится ещё более размытым. В отличие от Земли, Луна слегка наклонена относительно своего орбитального пути вокруг Солнца. Это означает, что Солнце висит низко над полярным горизонтом, заставляя рельеф отбрасывать длинные тени, которые могут скрывать камни, кратеры и другие опасности для астронавтов.
Необычное освещение — не единственная сложность, связанная с лунными данными. Ученые часто хотят уточнить грубые спутниковые данные. Возьмём лунную погоду. Длинный лунный день в сочетании с отсутствием атмосферы, регулирующей климат, может поднимать температуры на Луне до 250°F (121°C) при полном солнце и до -410°F (-246°C) в тенистых кратерах.
Хотя ученые обычно знают, где находятся экстремумы, подробная тепловая карта могла бы помочь возвращающимся астронавтам находить лед или безопасные места для строительства базы. Ученые проводили симуляции, чтобы повысить разрешение термических данных NASA, но такие симуляции требуют времени, денег и значительных вычислительных ресурсов. Более высокое разрешение тепловой карты, созданной с помощью лунной модели ИИ, такой как IBM и NASA, могло бы быстро выделить привлекательные места для дальнейшего изучения с помощью симуляций.
Огонь, падающие астероиды и лед
Ученые давно исследуют происхождение Луны, чтобы найти подсказки о нашей планете. Ведущая теория предполагает, что Луна возникла в результате зрелищного столкновения с Землей в начале нашей солнечной системы. Камни, возвращенные астронавтами «Аполлона», предоставили доказательства того, что объект размером с Марс столкнулся с Землей около 4,5 миллиарда лет назад, выбросив достаточно расплавленных обломков в космос, чтобы создать Луну.
В течение сотен миллионов лет глубокое океанское магма покрывало поверхность Луны. Магма в конечном итоге остывала достаточно, чтобы сформировать кору, в то время как продолжающаяся вулканическая активность под ней периодически приносила свежую лаву на поверхность. Считается, что вулканическая активность умерла около миллиарда лет назад, но недавние данные указывают на то, что некоторые вулканические особенности, называемые нерегулярными мари-патчами, могут быть значительно новее.
«Возраст этих особенностей остаётся предметом больших споров, поэтому чем больше мы сможем понять их распределение и свойства, тем лучше шанс решить эту загадку», — говорит Майкл Баркер, эксперт NASA по лунной топографии, который совместно с IBM возглавил проект.
Луна не имеет тектонических плит, которые поднимали бы новые камни на поверхность, и не имеет ветра и воды, разрушающих горы и стирающих прошлое. Тем не менее астероиды и микрометеориты постоянно бомбардируют её поверхность и перестраивают рельеф. Вы можете определить, какие части Луны самые старые, считая её кратеры.
Ученые глобально каталогизировали более 2 миллионов больших кратеров, и NASA хочет задокументировать оставшиеся меньшие, особенно на полюсах. Полярные кратеры могут обеспечить воду и укрытие для астронавтов и их посевов, в то время как высокие края кратеров, погружённые в почти постоянный свет, могут заряжать солнечные панели для питания оборудования и научных приборов.
В течение десятилетий Луну считали засушливой пустошью, исходя из камней, возвращенных астронавтами «Аполлона». Затем, в 2008 году, радарный инструмент NASA, запущенный на борту индийского космического корабля Chandrayaan-1, обнаружил ice in 40 small craters рядом с северным полюсом. NASA оценил количество воды в 600 миллионов метрических тонн — достаточно, чтобы заполнить как минимум 240 000 олимпийских бассейнов.
С тех пор несколько миссий обнаружили воду в других формах и местах. Совсем недавно вышедшая из эксплуатации обсерватория NASA SOFIA обнаружила молекулы воды, прилипшие к частицам лунной пыли. По оценкам NASA, каждый кубический метр грунта на поверхности Луны может содержать до 12-ounce bottle of water. Скорее всего, вода была доставлена на Луну в течение миллиардов лет падающими кометами и астероидами или в результате взаимодействия солнечных ветров с лунным грунтом.
Следующая волна исследования Луны
Базовая модель с открытым исходным кодом от IBM и NASA — это первая попытка преобразовать петабайты спутниковых данных в быстрый и гибкий способ моделирования поверхности Луны. Для точной настройки модели исследователи использовали облегченные низкоранговые адаптеры (LoRAs), которые оставили 90% весов базовой модели замороженными. Несмотря на такой легкий подход, модель сравнялась или превзошла традиционные модели машинного обучения в ряде задач.
Столкнувшись с задачей определения по незнакомому изображению, может ли темный полярный кратер содержать лед, модель NASA-IBM снизила уровень ошибок на 22% по сравнению с передовым трансформером SwinV2, обученным для разведки льда.
Модель NASA-IBM также превосходно справилась с обнаружением кратеров. Она смогла выделять кратеры с разрешением в один метр (где каждый пиксель на изображении представляет собой квадратный метр) так же точно, как модель Swin, обученная для обнаружения кратеров. При более низком разрешении в 100 метров на пиксель модель NASA-IBM превзошла ту же модель почти на 19%, используя вдвое меньше данных для обучения.
А когда дело дошло до картирования масштабов этих загадочных вулканических образований, модель NASA-IBM превзошла специализированную модель Swin на 3%, обеспечив сопоставимую точность при меньших затратах.
США — не единственная страна с амбициозными планами на Луну. Четыре другие страны совершили там мягкую посадку и объявили о намерении закрепиться. Полезные ископаемые — часть приманки. Лунный грунт содержит гелий-3, редкий изотоп, создаваемый солнечным ветром и являющийся важнейшим компонентом для получения экологически чистой энергии ядерного синтеза. Некоторые породы также богаты редкоземельными элементами, широко используемыми в мобильных телефонах и другой электронике.
Затем есть наука. Астрономы давно мечтают наблюдать за глубоким космосом с лунной точки обзора. Там нет ни землетрясений, ни магнитного поля, которые могли бы сотрясать инструменты. А обратная сторона Луны практически свободна от спутниковых помех.
«Вам пришлось бы улететь за Нептун, чтобы найти место с такой радиотишиной», — сказал Мартин Элвис, астроном из Центра астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института.
Во время недавнего разговора Элвис и его коллега Малгожата Соболевска перечислили список предлагаемых проектов, которые изобретательно используют чашеобразные кратеры Луны.
На ближайшие несколько лет запланирована посадка трех радиотелескопов, чтобы прислушаться к ранней Вселенной — времени до появления планет или звезд. Одно из предложений NASA даже предполагает превращение кратера шириной почти в милю в гигантскую антенную тарелку. Другие проекты варьируются от натягивания сверхчувствительного детектора гравитационных волн через кратер, чтобы слушать сталкивающиеся черные дыры, до спуска инфракрасного телескопа в ультрахолодный полярный кратер для изучения атмосфер экзопланет в Млечном Пути.
Возглавляемые США Соглашения Артемиды в 2020 году установили ряд принципов, которыми следует руководствоваться при исследовании космоса и сотрудничестве. Модель с открытым исходным кодом от IBM и NASA можно рассматривать как продолжение этого духа открытий и доброй воли.
Новые способы моделирования Луны
Лунная базовая модель является частью более широкого сдвига в создании новых научных знаний. Новые вычислительные технологии могут не только ускорить привычные вычисления, но и подтолкнуть к совершенно новым исследованиям. Здесь ИИ объединяет фрагментарные наблюдения в общее представление, помогая ученым выявлять закономерности, определять неопределенность и решать, на чем сосредоточиться в дальнейшем.
Со временем эта модель может стать частью более широкого рабочего процесса научных вычислений. Классические суперкомпьютеры могут продолжать выполнять большинство рабочих нагрузок, а ИИ будет помогать систематизировать наблюдения, создавать более быстрые аппроксимации сложных систем и определять перспективные гипотезы. По мере развития квантовых вычислений квантовые процессоры смогут решать задачи моделирования и оптимизации, которые слишком сложны или трудоемки для классических машин.
«Следующий лунный прорыв может произойти не благодаря одному новому инструменту, а благодаря алгоритмам, которые позволят многим инструментам — а со временем и вычислительным парадигмам — работать вместе», — сказал Бернабе-Морено.
