元宵節(jié)晚上“天關(guān)”衛(wèi)星給月亮拍了張X光片

3月3日元宵節(jié)晚上，天空上演了一場奇妙的月全食天象。正當人們興致勃勃地欣賞天空中紅色的“湯圓”時，正在太空中運行的中國“天關(guān)”衛(wèi)星也悄悄給月亮照了“X光片”，不僅為我們呈現(xiàn)了難得一見的“兩面派”月亮，還借助這個天賜良機，還原了地球磁尾與月表相互作用的動態(tài)過程。

拍出月亮“陰陽臉”

在天關(guān)衛(wèi)星科學中心剛剛發(fā)布的一組元宵月全食“X光片”中，我們可以看到月亮一明一暗兩張臉。在月食發(fā)生前后，月球呈現(xiàn)一個光亮的圓面。這張照片中，沒有皎潔的月光，沒有清晰的環(huán)形山，也沒有斑駁的月海，取而代之的是明暗不均的光斑。隨著月球進入地球的本影，陰影逐漸吞噬了圓面。全食階段的月亮幾乎全黑，與我們眼睛看到的紅月亮大相徑庭，不過如果再仔細看，似乎黑乎乎的月面上還有少許雪花似的光點。

2026年3月3日天關(guān)衛(wèi)星“風行天”望遠鏡（FXT）拍攝的月全食圖像

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學中心

2026年3月3日天關(guān)衛(wèi)星“風行天”望遠鏡拍攝的月全食動圖

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學中心

首先說這明亮的圖。與我們在醫(yī)院拍的人體骨骼X光片有所不同，月球的X光片的原理更像是紙幣的熒光防偽技術(shù)。我們都知道月亮本身并不發(fā)光，月球的X射線同樣來自太陽。陽光中的X射線轟擊到月球表面時，會像拳頭擊打進沙子一樣，把月球土壤和巖石中元素的內(nèi)層電子“撞”出去，令原子處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。幾乎就在同時，外層電子會迅速“跳”進來填補這個空缺，這個過程將釋放出新的能量，也就是具有特定波長的X射線。每種化學元素釋放的X射線波長都獨一無二，堪比DNA，因此通過分析這些X射線（譜線），科學家就能知道月球的表面是由什么物質(zhì)構(gòu)成的。

天關(guān)衛(wèi)星“風行天”望遠鏡在2024年中秋節(jié)拍攝的

月球鐵線（0.7 keV左右）圖像

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學中心

或許有人會問，我們不是已經(jīng)有嫦娥系列探測器，不僅繞月飛行，還順利取回了月壤，那為什么還需要用“天關(guān)”衛(wèi)星拍攝？繞月衛(wèi)星的探測范圍比較小，精度比較高，著陸取樣則是針對月球表面及淺層，屬于“零距離觸摸”；而“天關(guān)”衛(wèi)星視場大，距離也遠，可以拍到整個月亮，雖然達不到繞月衛(wèi)星的精度，但是能獲得全面的感知。這正是空間探測的互補性所在。

探究地球磁尾神秘區(qū)

可能你會好奇，為什么一定要在月全食的時候拍X光片呢？“天關(guān)”衛(wèi)星可不是在湊熱鬧哦，而是利用月全食這一難得機會研究地球磁尾與月面的相互作用。

月全食天象產(chǎn)生的原因是太陽、地球、月球三者精準排成一條直線。因此，當月球完全進入地球本影時，地球成為一道天然屏障，將來自太陽的絕大部分干擾都擋住了。一部分是太陽光，也就是電磁波，其中當然就包含了X射線；另一部分是太陽風，就是從太陽表面釋放出的高能帶電粒子流。雖說月全食階段我們眼睛仍然能看見一輪“血月”，那是因為地球大氣能將陽光折射到月面上，可見光中波長較短的藍光容易在大氣中散射，波長較長的紅光則不易被散射。但是對X射線而言，幾乎完全被地球大氣吸收，處在地球本影中的月球是不會受到來自太陽的X射線轟擊的。而太陽風則被地球磁層偏轉(zhuǎn)和屏蔽，最大限度地遠離月球表面。那么剩下的便只有地球磁尾區(qū)域內(nèi)的高能帶電粒子了。

月食形成原理圖 | 圖源：Vito Technology

要理解這個過程，我們需要先簡單認識一下地球磁尾與等離子體片。地球自身擁有強大的磁場，在太陽風的“吹拂”下，地球磁場在背對太陽的一面會拖出一條長長的“尾巴”，這就是磁尾，可延伸長達1000個地球半徑。在磁尾的磁赤道附近，存在一個特殊界面，因為兩側(cè)磁力線突然改變方向磁場強度變得微乎其微，這個界面被稱為中性片。在中性片兩側(cè)約10個地球半徑的范圍里，又充滿著大量高能帶電粒子，被稱為等離子體片。當太陽活動劇烈時，這些粒子還會沿磁力線向地球極區(qū)沉降，形成極光。等離子體片又是地球磁層能量儲區(qū)和不穩(wěn)定的擾動區(qū)，是很多磁層擾動的發(fā)源地。而月球在繞地球運行過程中，會周期性進入地球磁尾，等離子體片中的高能帶電粒子會直接撞擊月球表層，激發(fā)月球物質(zhì)產(chǎn)生X射線，這正是“天關(guān)”衛(wèi)星要捕捉的核心信號！

地球磁層示意圖 | 圖源：中國大百科全書網(wǎng)絡(luò)版

但是，這個信號太弱了，平日里都淹沒在強大的太陽X射線和太陽風直接撞擊月面產(chǎn)生的信號中（那個光斑圖），無法直接觀測。而當月全食發(fā)生時，月球恰好處于地球本影與磁尾的疊加區(qū)域，擺脫了太陽的直接干擾，成為一個“干凈”的觀測目標。我們在全食階段，黑色的月面上點狀的光斑，就是地球磁尾等離子體片中高能粒子與月表作用的痕跡。

專為月全食調(diào)整程序

“天關(guān)”又叫“愛因斯坦探針”（EP），是運行在近地軌道的空間X射線天文臺，由中國科學院主導研制，歐洲航天局、德國馬普地外物理研究所及法國宇航局等國際機構(gòu)參與合作，于2024年1月9日成功發(fā)射。“天關(guān)”名字源自北宋時期中國觀測到的一顆超新星“天關(guān)客星”（SN 1054），彰顯了中國天文學的深厚底蘊?！疤礻P(guān)”搭載了兩臺望遠鏡：寬視場X射線望遠鏡（WXT，昵稱“萬星瞳”），主要負責巡天監(jiān)測；后隨X射線望遠鏡（FXT，昵稱“風行天”）則專注于對目標進行高分辨率深度觀測。這讓“天關(guān)”兼具看得廣、看得清、響應快的能力。

月球的“X光片”正是由“風行天”望遠鏡捕獲的，一方面得益于它較為寬大的視場，足以裝得下整個滿月，另一方面仰仗其極低的背景噪聲和超高靈敏度，其粒子本底僅為德國eROSITA望遠鏡的1/5、歐洲XMM-Newton天文臺的1/10，能夠捕捉微弱X射線信號，還原出獨特的月球X光影像。

“天關(guān)”衛(wèi)星（愛因斯坦探針，EP）想象畫 | 圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學中心

不過原本主要用來觀測宇宙深處X射線源的望遠鏡，現(xiàn)在要觀測“近在咫尺”的月球，還是有些挑戰(zhàn)的。“天關(guān)”軌道高度約600公里，繞地球一圈約97分鐘，因此拍攝月全食全過程需要它連續(xù)轉(zhuǎn)5圈，每一圈朝向月球的角度和拍攝時間都不相同。為此，運行團隊專門制定了針對月全食的觀測程序，全程有效觀測時長達到15000秒左右，從食既到生光58分鐘的全食過程，“風行天”足足觀測了50分鐘?？蒲袌F隊和運行團隊的精心安排保證了望遠鏡能夠獲取高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。

2025年3月14日月全食和9月7日月全食期間“天關(guān)”衛(wèi)星觀測圖像拼圖

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學中心

其實，這也不是“天關(guān)”第一次給月球拍片子。2024年9月17日中秋節(jié)之際，“天關(guān)”便從太空傳回過月球的X射線照片，也是中國科學家首次用自主研發(fā)的空間望遠鏡觀測得到完整月亮的X光圖像。2025年，“風行天”望遠鏡也曾兩度拍攝月全食照片。與上次相比，本次觀測使用了望遠鏡后端的另一個濾片，以增加對低能0.7keV以下的X射線的觀測有效面積。后續(xù)科學團隊將對觀測數(shù)據(jù)展開進一步深入研究，希望揭示復雜的地月空間環(huán)境的奧秘。

參考資料

[1] “風行天”首批科學數(shù)據(jù)助力人類探索宇宙——中國科學院和歐空局聯(lián)合發(fā)布首批“天關(guān)”衛(wèi)星公開數(shù)據(jù)（https://ihep.cas.cn/astro/kxyj/kyld/2025/202512/t20251219_8030497.html）
[2] Follow-up X-ray Telescope （https://ep.bao.ac.cn/ep/cms/article/view?id=25）

[3] X射線下的月亮（http://bolide.lamost.org/articles/article10.htm）

[4] 地球磁場就像洋蔥？一文了解地球磁層的三層結(jié)構(gòu)（https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=419883）

[5] 中國大百科全書（第三版）網(wǎng)絡(luò)版“地球磁場”（https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=580833&Type=bkzyb&SubID=157242）

作者：施韡（上?？萍拣^天文研究中心）

科學審核：陳勇（“天關(guān)”衛(wèi)星后隨X射線望遠鏡負責人、中國科學院高能物理研究所研究員）

編輯：晚香玉

審校：李巖松、李淵淵

圖源：已在文中標注