ISIS, DoD ja suuri WAC-huijaus

Planeettageologiseen tutkimukseen viehtyneille ISIS tarkoittaa yleensä jotain ihan muuta kuin sairasta terroristi- ja rikollisjoukkiota. ISIS on myös eri asia kuin Isis, egyptiläinen maan hedelmien ja kuolleiden ja hyvin monen muun asian jumalatar. Sinänsä kuuhullulle sopivasti yksi Isiksen tunnusmerkeistä on kuunsirppi.

ISIS, eli Integrated Software for Imagers and Spectrometers on Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen (USGS) kehittämä ohjelmistopaketti, joka nykyisin on kutakuinkin välttämätön työkalu suurimmassa osassa kaukokartoitukseen perustuvaa planeettageologista tutkimusta. Linuxin käyttöjärjestelmäkseen vaativa ISIS toimii yleensä varsin sujuvasti liki kaikkien NASAn kuva- ja spektrometriaineistojen kanssa, ja myös useiden muiden avaruusjärjestöjen aineistojen kanssa. Esimerkiksi Lunar Reconnaissance Orbiterin kuvia ei käytännössä saa edes auki muuten kuin ISIStä käyttäen.

Clementine oli Yhdysvaltain puolustusministeriön (DoD) ja NASAn yhteinen kuuluotain, joka 1990-luvun puolivälissä päivitti kuutietämyksemme aivan uudelle tasolle. Etenkin Kuun koostumuksen tutkimuksessa Clementine-aineistoja käytetään edelleen jatkuvasti. Noin sadan metrin erotuskyvyltään Clementinen ultravioletti- ja näkyvän alueen kameran kuvat ovat samaa suuruusluokkaa kuin vaikkapa tyypilliset Lunar Orbiterin ja LRO:n Wide Angle Cameran (WAC) kuvat.

WAC-kuvat ovat erinomaisia esimerkiksi suurempien alueiden kartoitukseen ja muiden aineistojen geologisen kontekstin muodostavaksi taustaksi. LRO:n kameratiimi on tehnyt upeat mosaiikit koko Kuusta sadan metrin erotuskyvyllä. Niitä kelpaa vertailla ja yhdistellä valaistukseltaan varsin toisenlaisiin Clementine-mosaiikkeihin. Joskus kuitenkin tulee tilanteita, joissa on tarpeen käyttää WAC-kuvien parasta mahdollista erotuskykyä (noin 55–70 m kuvapikseliä kohti), tai mosaiikissa on ikävä sauma oleellisessa kohdassa, tai mosaiikin valaistusolot eivät ole ihanteelliset. Silloin pitää hankkia WAC-raakakuvat ja käyttää ISIStä.

Ongelmaksi esteettisesti miellyttävien ja geologisen tulkinnan kannalta luotettavimpien WAC-kuvien ja -mosaiikkien tekemisessä muodostuu kuitenkin se, ettei ISIS sen paremmin kuin kameratiimikään tarjoa tarvittavia tiedostoja WAC-kuvien fotometriseen kalibrointiin. Tämän vuoksi WAC-kuvien toinen reuna tapaa olemaan huomattavasti kirkkaampi kuin toinen. Ongelma on ärsyttävä myös siksi, että se sotii NASAn planeettadatan avoimuuden henkeä vastaan. Tässä tapauksessa kuva-aineistot ovat vapaasti saatavissa, mutta kaikki niiden käsittelyyn tarvittavat tiedostot eivät ole. Käytännössä kameratiimi pakottaa muut tutkijat käyttämään heidän sinänsä aivan erinomaisia mosaiikkejaan, ja pitää itsellään monopolin kunnolla kalibroituihin kuviin ja kaikkiin niiden mahdollistamiin tutkimuksiin.

Tämän probleeman parissa taannoin painiskellessani huomasin, että tässäkin tapauksessa systeemiä voi huijata. WACin yksikanavakuvien (monochrome) fotometrisessä kalibroinnissa voi nimittäin käyttää Clementinen kalibrointitiedostoa. Näin syntyvää kuvaa ei tietenkään pidä käyttää spektro- tai fotometriseen tutkimukseen, mutta geologisen tulkinnan kannalta huijaaminen tuottaa täysin käyttökelpoisen ja nätin kuvan. Kirjoittelin aiheesta ulkomaankielellä lyhyet ohjeet, jotka nyt löytyvät Lunar and Planetary Instituten Lunar Science and Exploration -portaalin Computational Tools -sivulta (tai ihan suoraan tästä). Samalla Computational Tools -sivulla on myös muutama vuosi sitten tekemäni ohjeistus stereokorkeusmallien luontiin, jonka alkuosa toimii johdatuksena ISIS-ohjelmistopaketin peruskäyttöön.

Itse hyvin pikaisesti omilla oletusarvoillani tehty rajaamaton mosaiikki LRO WAC -kuvista M119415370ME.IMG, M119422145ME.IMG, M119428924ME.IMG ja M119435728ME.IMG ilman minkäänlaista fotometristä kalibrointia. Kuvan oikea (itä-) reuna on aivan liian kirkas, ja eräät kuvien saumat ovat turhan selkeitä. Kuvan alareunassa, Crisiumin törmäysaltaan pohjoisreunalla olevan Mare Anguisin ympäröimän tasapohjaisen Eimmart-kraatterin läpimitta noin 45 km.

Muuten sama mosaiikki kuin edellisessä kuvassa, mutta käyttäen kuvien fotometriseen kalibrointiin Clementinen UVVIS-kameran ”a”-kalibrointitiedostoa. Hienosäädöllä mosaiikin laatua olisi voinut parantaa. Näiden mosaiikkien alkuperäinen erotuskyky oli 67,6 metriä pikseliä kohti.

Vertailun vuoksi LRO:n kameratiimin mosaiikista rajattu osa, alkuperäiseltä erotuskyvyltään 100 metriä per pikseli. Joissain kohdissa tämä olisi itse tehtyä parempi, joissain taas toisin päin. Mikäli tutkimuskohteena olisi esimerkiksi Eimmartin itäreunalla sijaitsevan Eimmart A -kraatterin itäinen heittelekenttä, olisi tämän mosaiikin ilmeinen sauma Mare Anguisissa varsin häiritsevä. Samoin tässä Eimmart A:sta on suurempi osa varjossa kuin itse tehdyssä mosaiikissa, ja osa oikean reunan kraattereiden sisäreunojen yksityiskohdista katoaa.

GRAILin malja

Myöhemmin tänään tapahtuvaa GRAILin (Gravity Recovery And Interior Laboratory), eli Ebb- ja Flow-luotainten Philolaus D-kraatterin pohjoisreunaan tähdättyä törmäystä odotellessa on hyvää aikaa katsastaa lehdistötiedotteiden ympäripyöreyksiä syvemmin, mistä puolisentoista viikkoa sitten julkaistuissa GRAILin ensimmäisissä tuloksissa oikeastaan oli kyse. Sitä ennen on tosin hämmästeltävä NASAn sössimistä GRAILin törmäyskohdan ennakkotiedottamisessa. Ainakaan äkkiä haettuna missään lehdistötiedotteissa ei mainittu kyseisen kraatterin nimeä (vaikka mainittiin kylläkin samalla suunnalla sijaitseva Goldschmidt), ja annetuissa koordinaateissa itä ja länsi on onnistuttu sotkemaan päinvastaisiksi. Onneksi tarjotun kartan täysikokoisesta versiosta pystyi lukemaan kraatterien nimetkin. Lehdistötiedotteissa kuitenkin puhuttiin nimettömästä vuoresta, eikä suinkaan Philolaus D:n pohjoisseinämästä, jonne siis Ebb ja Flow on tänään 17.12. noin klo 22.29 UTC (mikä tarkoittaa huomista 18.12. klo 00.29 Suomessa)  tarkoitus törmäyttää. No, eipä ole ensimmäinen kerta, kun NASAn tiedottaminen ontuu pahasti. Eikä varmasti myöskään viimeinen.

Onneksi itse tieteen tekemisessä on onnistuttu huomattavasti paremmin. Science-lehden verkkoversiossa Sciencexpress julkaistiin 5.12. kolme artikkelia GRAILin ensimmäisistä tuloksista. Näistä ensimmäinen, GRAILin päätutkija Maria Zuberin ja kumppaneiden artikkeli on perinteinen Science-artikkeli minkä tahansa uuden luotaimen ensimmäisistä tuloksista: artikkelissa ei sanota käytännössä yhtään mistään yhtään mitään, mutta kaikkien on sitä myöhemmin siteerattava, koska se sattuu olemaan ensimmäinen artikkeli aiheesta. Kaksi muuta artikkelia ovatkin sitten erittäin merkittäviä, ja osaltaan muuttavat huomattavastikin käsitystämme Kuusta.

Mark Wieczorekin johtaman ryhmän artikkeli The Crust of the Moon as Seen by GRAIL pistää uusiksi useampiakin käsityksiämme Kuun pintaosista. Kuun kuoren keskitiheyden oletettiin aiemmin olevan noin 2800–2900 kg/m³, mutta GRAILin ensimmäisten tulosten mukaan se on vain 2550 ± 18 kg/m³. Tuollainen noin 10%:n pudotus aiemmasta parhaasta arviosta tulee tuntuvasti vaikuttamaan erilaisiin geofysikaalisiin ja petrologisiin malleihin. Alueelliset erot Kuun kuoren tiheydessä ovat melko suuria, luokkaa ±250 kg/m³. Tihein kuori on yllätyksettömästi vanhan ja suuren South Pole – Aitkenin altaan alueella, jossa aiemmat geokemialliset mittaukset ovat osoittaneet muita Kuun ylänköalueita suurempia raudan pitoisuuksia. Harvin kuori löytyy puolestaan huomattavasti nuorempien Orientalen ja Moscoviensen altaiden alueelta.

Kiven tiheyteen vaikuttaa merkittävästi sen koostumuksen ohella myös sen huokoisuus. Wieczorekin ja kumppaneiden mukaan Kuun kuoren huokoisuus on luokkaa 12% aina muutaman kilometrin syvyyteen saakka. Vertailun vuoksi mainittakoon, että suomalaisen jämäkän graniitin huokoisuus on tyypillisesti alle prosentin. Kuun kuoren tiedettiin toki olevan törmäysten möyhentämää, mutta näin suuri huokoisuus (joka on käytetystä mallista riippuva arvio, eikä mikään lopullinen absoluuttinen totuus) näin syvälle yltäen oli yllätys.

Artikkelin merkittävimmät uudet tulokset koskevat Kuun kuoren paksuutta. Aiemmin kuoren keskipaksuudeksi arvioitiin noin 50 km, mutta GRAILin myötä keskipaksuudeksi oletetaan nyt vain noin 34–43 km. Tämä vastaa suunnilleen Maan kuoren keskipaksuutta, mutta on vähemmän kuin Suomessa, jossa kuori on noin 40–60 km paksu. Ohuimmillaan Kuun kuori on Moscoviensen ja Crisiumin törmäysaltaiden kohdalla, jossa se on lähes nolla; Kuun vaippa on siis käytännössä heti pintaa peittävien mare-basalttien alla. Lisäksi Humboldtianumin, Apollon, ja Poincarén altaiden synty ohensi kuoren alle 5 km:ksi, mikä sekin tarkoittaa erittäin ohutta kuorta. Tämä vastaa kuoren paksuutta Maapallon valtamerten kohdalla. Etenkin Moscoviensen äärimmäisen ohut kuori sopii erittäin hyvin yhteen pari vuotta sitten Kaguya-luotaimen spektrimittauksista varsin luotettavasti tulkittujen oliivinirikkaiden alueiden kanssa. Koska Kuun vaipan koostumus olisi äärimmäisen kiinnostava tieto ei ainoastaan Kuun vaan koko Aurinkokunnan synnyn ja kehityksen ymmärtämisen kannalta, on todennäköistä, että Moscoviense tulee olemaan yksi suosikkikohteista, kun Kuusta joskus palataan hakemaan näytteitä.

Kuun kuoren paksuus GRAILin painovoima- ja LRO:n korkeusmittausten pohjalta. Lähipuoli vasemmalla, etäpuoli oikealla. Kuva: Science / Wieczorek et al. (2012)

Viimeinen uusista GRAIL-artikkeleista, Jeff Andrews-Hannan ja kollegoidensa kirjoittama Ancient Igneous Intrusions and Early Expansion of the Moon Revealed by GRAIL Gravity Gradiometry on myös erittäin kiehtova, joskaan ei ehkä aivan yhtä mullistava. Andrews-Hannan ryhmä mittasi Kuun painovoimakentän gradienttia, eli käytännössä sitä, missä kenttä muuttuu nopeasti. Tästä aineistosta paljastui satojen kilometrien mittaisia, kapeita ja suoria rakenteita, jotka he tulkitsivat magmaattisiksi juoniksi. Juonten leveys on yleensä luokkaa 5–12 km, mutta voi suurimmillaan käytetystä laskentamallista riippuen olla jopa yli 80 km. Luvut kuulostavat suurilta, ja sitä ne ovatkin, mutta ovat kuitenkin hyvin vertailukelpoisia Zimbabwessa sijaitsevan kuuluisan Great Dyken kanssa (joka tosin tarkkaan ottaen ei ole juoni).

Juonten ja kraatterien ja törmäysaltaisen keskinäisten leikkaussuhteiden perusteella GRAILin löytämien juonten on todettu olevan erittäin vanhoja. Juonet syntyivät South Pole – Aitkenin jälkeen, mutta Crisiumia ennen. Tämä tekee niistä iältään nectarisia tai pre-nectarisia. Koska ne lisäksi sijaitsevat kymmenien kilometrien syvyydellä Kuun kuoressa yltäen todennäköisesti vaippaan saakka, ei niistä pinnalla näy topografiassa, kuvissa, tai geokemiassa jälkeäkään. Kuussa on tektonisten rakenteiden perusteella oletettu olevan juonia jo kauan, mutta suoria todisteita niistä ei ole saatu. Nämä aiemmin ehdotetut juonet ovat kooltaan valitettavasti GRAILin erotuskyvyn alapuolella, joten täyttä varmuutta Kuun juonten olemassaolosta ei siis vieläkään ole.

Kuun painovoimakentän Bouguer-anomalian horisontaaligradientti Crisiumin altaan alueella Eötvöseinä ilmaistuna. Tummanpunaiset alueet ovat +30 E, ja tummansiniset -30 E. Crisiumin allas leikkaa sinisenä näkyvää lähes itä--läntistä juonta, joten juoni on Crisiumia vanhempi. Kuva: Science / Andrews-Hanna et al. (2012)  

Jättimäiset juonet – sikäli kun tämä luotettavalta vaikuttava tulkinta piää paikkansa – ovat jo sinällään kiehtovia, mutta ne tarjoavat myös laajempia näkymiä Kuun varhaiseen historiaan. Juonten perusteella nimittäin laskettiin, että Kuun on täytynyt laajentua. Tämä Kuun ensimmäisen miljardin vuoden aikana tapahtunut laajeneminen kasvatti Kuun halkaisijaa suunnilleen 1–10 km. Mikä mainiointa, tämä sopii hyvin yhteen jo 1970-luvulla tehtyjen laskelmien kanssa.

GRAILin ensimmäiset tulokset ovat siis erinomaisia, ja kunhan dataa ehditään analysoida tarkemmin etenkin lennon myöhäisemmältä jaksolta, jolloin GRAIL oli siirtynyt 55 km:n korkeudesta alemmalle noin 23 km:n radalle, tulee erittäin moni käsitys Kuun olemuksesta muuttumaan. Ebb ja Flow ovat nyt työnsä tehneet, ja poistuvat näyttämöltä komeasti. Toivotaan, että LRO:n LAMP-instrumentti saa törmäyksistä jotain irtikin, jolloin myös luotainten viimeinenkin matka auttaisi ymmärtämään Kuuta entistä paremmin. Kävi siinä miten hyvänsä, itse ainakin aion nostaa GRAILin maljan.