Alors que la NASA accélère les préparatifs du projet Artemis pour renvoyer les astronautes sur la Lune, l’un des nombreux défis techniques auxquels elle est confrontée est de fournir une carte lunaire ultra-précise à utiliser lorsque les astronautes explorent la Lune. Même des obstructions de surface petites mais inattendues pourraient être catastrophiques pour un vaisseau spatial à l’atterrissage ou un rover traversant la surface lunaire.
Lorsque Apollon astronautes sont allés sur la lune il y a plus de 50 ans, leurs sites d’atterrissage ont été soigneusement choisis pour leur relative fadeur. Bland était plus sûr! Mais les astronautes d’Artemis ont l’intention de visiter les sites les plus intéressants de la lune, pas seulement les plus fades.
Une meilleure carte lunaire
Au cours des décennies qui ont suivi Apollo, les scientifiques ont imagé les caractéristiques de la surface de la lune avec énormément de détails, de sorte que l’équipe de cartographie lunaire d’Artemis dispose de bien meilleures informations sur lesquelles travailler que leurs prédécesseurs dans les années 1960. Comme Espace.com rapports, l’imagerie photographique utilisée pour construire une carte lunaire a en effet une très grande précision, avec un pixel couvrant moins d’un mètre carré de la surface. Ainsi, les scientifiques peuvent établir la latitude et la longitude d’un élément lunaire à moins d’un mètre – suffisamment précis pour permettre un atterrissage et une conduite en toute sécurité sur la surface lunaire.
Mais l’altimétrie laser qui est utilisée pour établir l’élévation de la surface lunaire est beaucoup moins précise, exacte seulement à environ 100 mètres. C’est loin d’être suffisant.
Il existe des méthodes pour mesurer les ombres sur la surface lunaire afin de déterminer des « repères » d’élévation plus précis pour la cartographie topographique, mais elles sont généralement fastidieuses. Non seulement ils sont intensifs en termes de calcul, ce qui impose de lourdes exigences aux ordinateurs, mais ils nécessitent également beaucoup d’estimations et de manipulations que seules des personnes hautement qualifiées peuvent faire, mais ils doivent le faire très soigneusement – et lentement.
Pour l’équipe de la carte lunaire, c’était un grave goulot d’étranglement, mais de l’aide était en route.
Les falaises de Stevns Klint
Alors que l’équipe de cartographie lunaire d’Artemis luttait avec ce défi, un étudiant diplômé en géophysique de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague a également rencontré un problème. L’ancienne étudiante diplômée Iris Fernandes (selon le Université de Copenhagueelle a depuis obtenu son doctorat) voulait utiliser des images photographiques de Stevns Klint – une falaise calcaire spectaculaire et géologiquement importante sur une île du Danemark – pour analyser les motifs de surface sur la face de la falaise.
Son problème, comme Science Quotidien rapports, était que l’algorithme qu’elle utilisait pour étudier les motifs était perturbé par une interaction complexe de la lumière du soleil et de l’ombrage dans les photographies. Comme l’explique Fernandes, « cela a créé un biais dans le modèle. Nous devions trouver des moyens de supprimer les nuances, afin de supprimer le biais.
Pour annuler mathématiquement l’ombrage, Fernandes avait besoin d’un environnement de test avec des formes rocheuses variées, un manque de couleurs à motifs et où la lumière du soleil et l’ombre étaient les caractéristiques dominantes. Comme de nombreux géophysiciens, Fernandes s’intéressait aux planètes et connaissait un lieu qui répondait bien à ses exigences : la lune.
Nuances de gris
Nous pouvons chanter la lumière de la lune argentée, mais la surface lunaire est presque entièrement grise, avec peu de motifs à petite échelle autres que ceux produits par la lumière du soleil et l’ombre. Cela en a fait un endroit parfait pour étudier ces motifs d’ombrage – et trouver un moyen de les annuler.
Il se trouve que l’œil humain et les centres de vision du cerveau, façonnés par des millions d’années d’évolution, sont extrêmement bons pour traiter les nuances de lumière et d’ombre. En conséquence, même une bonne paire de jumelles peut afficher de manière éclatante les ombres projetées par les chaînes de montagnes lunaires.
Parce que cet effet est le plus visible près du terminateur lunaire (les lignes de l’aube et du crépuscule se trouvent) où le soleil est très bas dans le ciel lunaire et les ombres proportionnellement longues, un effet est de faire apparaître les montagnes lunaires beaucoup plus déchiquetées dans un télescope qu’elles ne le sont. le sont en fait. Cette capacité de l’œil humain était cruciale pour les méthodes établies pour déterminer l’élévation de la lumière et de l’ombre. Mais le besoin d’une contribution et d’un jugement humains importants était exactement ce qui rendait ces méthodes si lourdes.
À la complexité intrinsèque de ces méthodes établies s’ajoutait le large éventail de variations dans la qualité de l’imagerie lunaire et des données d’altimétrie laser, auxquelles Fernandes devait faire face, à l’instar de l’équipe de cartographie lunaire Artemis.
Les yeux sur le prix
Face à toute cette complexité, Fernandes et son directeur de thèse, le géophysicien Klaus Mosegaard, se sont concentrés sur la mathématiques sous-jacentes. Ils se sont concentrés sur la «théorie inverse» – le processus mathématique consistant à passer d’un résultat aux entrées qui produiraient ce résultat – ainsi que sur l’équation de Sylvester. Comme l’explique Fernandes dans Science Daily, ils se sont mis au travail “essentiellement, pour voir si cette équation pouvait résoudre le problème”.
“Et ça l’a fait”, ajoute-t-elle. “On pourrait dire que nous… avons trouvé la clé mathématique d’une porte restée fermée pendant de nombreuses années.”
La nouvelle méthode mathématique mise au point par Fernandes réduit considérablement la quantité de calculs (et de « bricolage ») requis avant le calcul et élimine les conjectures. Les variations de la qualité des données source sont automatiquement incorporées en tant qu’entrées, produisant non seulement une sortie plus précise (comme une carte lunaire), mais également une sortie avec un niveau de précision clairement spécifié. Fernandes note : “Cette méthode est rapide, précise et ne repose sur aucune hypothèse.”
Sciences : la machine à surprises
Comme le note Science Daily, la curiosité scientifique peut vous mener dans des endroits surprenants. Fernandes et Mosegaard sont partis avec l’objectif initial d’annuler les modèles de lumière du soleil et d’ombrage sur les falaises de Stevns Klint, éliminant efficacement l’ombrage léger afin de révéler d’autres modèles dans les rochers de la falaise. Ils n’étaient pas du tout concernés par les défis de la mesure de l’altitude et les limites de l’altimétrie laser, puisque les falaises sont ici même sur la planète Terre et peuvent être relevées aussi précisément que nécessaire.
Pour la NASA, en revanche, les modèles de lumière du soleil et d’ombrage à la surface de la lune sont tout le jeu de balle – la clé pour fournir une carte topographique avec une précision suffisante pour les astronautes humains explorant la lune. Et les mêmes techniques peuvent être appliquées à Mars, aux astéroïdes, aux lunes des planètes extérieures et à d’autres corps avec des surfaces solides en attente d’exploration.
Pendant ce temps, Fernandes voit également d’autres implications possibles, telles que l’utilisation de motifs d’ombrage pour rechercher de petites pierres rondes sur Mars comme un signe qu’elles auraient pu être exposées à l’eau.
La science en tant qu’activité humaine est, en grande partie, l’art de trouver des surprises et d’en faire un usage surprenant.
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