首次拍到完整滿月X光圖像，月球?qū)氂凶V了！

圖蟲創(chuàng)意

近期，中國科學(xué)家利用“愛因斯坦探針”衛(wèi)星上搭載的“風(fēng)行天”空間X射線望遠(yuǎn)鏡，在太空中首次拍下了完整滿月的X光圖像。X光圖像，在天文觀測上有什么用？給月亮拍X光，難在哪里？中國科學(xué)家首次拍到完整的滿月X光圖像，實現(xiàn)了哪些突破？為什么要給月亮拍X光？月面X光圖像又有什么用？大家好，我是李明濤，今天我們來了解下“風(fēng)行天”給月球拍X光的那些事！

根據(jù)波長和頻率，電磁波可以分成不同的波段，比如X射線、紫外、可見光、紅外、微波等。我們?nèi)庋劭吹降氖强梢姽獠ǘ?。X射線的波長比可見光要短，但頻率和能量則比可見光高得多。通常X射線產(chǎn)生于高能天體的爆發(fā)過程中，比如恒星壽命末期的超新星爆炸，比如兩個黑洞發(fā)生劇烈碰撞等都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線。甚至我們的太陽也在時刻產(chǎn)生X射線，當(dāng)太陽表面爆發(fā)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的時候，會伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線。因此X射線是天文學(xué)上用于研究高能天體及其爆發(fā)事件的重要手段。由于X射線波長很短，在通過大氣層時會被吸收，因此需要將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中才能開展X射線天文觀測?！皭垡蛩固固结槨毙l(wèi)星就是一個X射線天文臺，它的科學(xué)目標(biāo)是利用X射線對高能天體進(jìn)行“體檢”，獲得通過分析高能天體產(chǎn)生的X射線信號，對高能天體及其爆發(fā)的物理過程進(jìn)行分析，增進(jìn)我們對宇宙形成與演化的科學(xué)認(rèn)知。

“風(fēng)行天”是“愛因斯坦探針”衛(wèi)星上搭載的X射線望遠(yuǎn)鏡。給月亮拍X光是“風(fēng)行天”在太空小試牛刀，看起來似乎很輕松，但其實并不簡單。首先，望遠(yuǎn)鏡視場直徑必須大于33.4角分才能拍到完整滿月，而X射線很難被聚焦成像，導(dǎo)致一般的X射線望遠(yuǎn)鏡的視場很小，難以覆蓋完整滿月；其次，給月球拍X光需要一定的時間積累，因此要求衛(wèi)星具有對月球的精確跟蹤能力，隨時調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的指向，使得月球一直處于視場的中心。實際上，歷史上只有德國和美國的兩顆衛(wèi)星對月面成功進(jìn)行了X射線成像觀測，但都沒有獲得滿月圖像。

“風(fēng)行天”之所以能夠拍攝完整的滿月X光圖像，是因為“天時、地利、人和”。首先，今年處于太陽活動高年，太陽耀斑頻繁爆發(fā)，太陽的X射線流量會急劇增高，月面的X射線輻射也會隨之增強(qiáng)，這是“天時”因素。其次，今年中秋節(jié)，月亮恰恰處于地月軌道的近地點附近，月亮相比普通滿月面積增大約14%，而且亮度更高，因此被稱為“超級月亮”，這是“地利”因素。最后，也是最重要的，“風(fēng)行天”同時突破了大視場X射線探測和敏捷姿態(tài)跟蹤技術(shù)。一方面，“風(fēng)行天”突破了多層嵌套金屬聚焦鏡技術(shù)，利用多達(dá)54層金屬鏡面將更大范圍的X射線聚焦到探測器上并行讀出，從而克服了X射線聚焦難、望遠(yuǎn)鏡視場小的弊端，使得“風(fēng)行天”的視場直徑高達(dá)1°，從而才可能將“超級月亮”一覽無余。多層嵌套金屬聚焦鏡對設(shè)計、制造、加工、裝配、調(diào)試要求極高，此前只有德國的倫琴衛(wèi)星的視場直徑達(dá)到了拍攝滿月所需33.4角分的基本要求。另一方面，“風(fēng)行天”的姿態(tài)控制能力出色，具有敏捷的月亮跟蹤能力，能夠始終將望遠(yuǎn)鏡視場中心對準(zhǔn)月面中心，保障了在運動中對“月面”精確成像，而倫琴衛(wèi)星上天不到1年姿態(tài)控制系統(tǒng)就出現(xiàn)了故障。中國設(shè)計師實現(xiàn)的技術(shù)突破也是保證“風(fēng)行天”拍照成功的“人和”因素。

“風(fēng)行天”成功拍到滿月X光圖像表明中國在X射線天文探測技術(shù)方面已經(jīng)快速追上國際同行、甚至在部分技術(shù)點上已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。“風(fēng)行天”探測器所拍攝的月面X光圖像，無疑為月球科學(xué)研究開啟了新的篇章。這些X光圖像深入揭示了氧、鐵、鎂、鋁和硅等重要元素在月球表面的具體含量及其分布區(qū)域。這些寶貴的數(shù)據(jù)不僅加深了我們對月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解，更為未來開發(fā)利用月球表面的豐富礦物資源提供了一幅詳盡而珍貴的“尋寶圖”?？丛虑騼H僅是“風(fēng)行天”兼職工作，其實它更擅長的其實是探測黑洞并合、超新星爆發(fā)等高能天體物理過程，期待未來“風(fēng)行天”能夠在宇宙探索中給我們帶來更多驚喜。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：李明濤

審核：孫志斌 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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