3月3日元宵節(jié)晚上，天空上演了一場(chǎng)奇妙的月全食天象。正當(dāng)人們興致勃勃地欣賞天空中紅色的“湯圓”時(shí)，正在太空中運(yùn)行的中國(guó)“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(gè)天賜良機(jī)，還原了地球磁尾與月表相互作用的動(dòng)態(tài)過程。

拍出月亮“陰陽臉”

在天關(guān)衛(wèi)星科學(xué)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(gè)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(jìn)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(xì)看，似乎黑乎乎的月面上還有少許雪花似的光點(diǎn)。

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

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學(xué)中心

2026年3月3日天關(guān)衛(wèi)星“風(fēng)行天”望遠(yuǎn)鏡拍攝的月全食動(dòng)圖

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學(xué)中心

首先說這明亮的圖。與我們?cè)卺t(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(shí)，會(huì)像拳頭擊打進(jìn)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(shí)，外層電子會(huì)迅速“跳”進(jìn)來填補(bǔ)這個(gè)空缺，這個(gè)過程將釋放出新的能量，也就是具有特定波長(zhǎng)的X射線。每種化學(xué)元素釋放的X射線波長(zhǎng)都獨(dú)一無二，堪比DNA，因此通過分析這些X射線（譜線），科學(xué)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(fēng)行天”望遠(yuǎn)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(xué)中心

或許有人會(huì)問，我們不是已經(jīng)有嫦娥系列探測(cè)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(cè)范圍比較小，精度比較高，著陸取樣則是針對(duì)月球表面及淺層，屬于“零距離觸摸”；而“天關(guān)”衛(wèi)星視場(chǎng)大，距離也遠(yuǎn)，可以拍到整個(gè)月亮，雖然達(dá)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(cè)的互補(bǔ)性所在。

探究地球磁尾神秘區(qū)

可能你會(huì)好奇，為什么一定要在月全食的時(shí)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(jī)會(huì)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(zhǔn)排成一條直線。因此，當(dāng)月球完全進(jìn)入地球本影時(shí)，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(dāng)然就包含了X射線；另一部分是太陽風(fēng)，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?yàn)榈厍虼髿饽軐㈥柟庹凵涞皆旅嫔希梢姽庵胁ㄩL(zhǎng)較短的藍(lán)光容易在大氣中散射，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光則不易被散射。但是對(duì)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(huì)受到來自太陽的X射線轟擊的。而太陽風(fēng)則被地球磁層偏轉(zhuǎn)和屏蔽，最大限度地遠(yuǎn)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(gè)過程，我們需要先簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)一下地球磁尾與等離子體片。地球自身擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，在太陽風(fēng)的“吹拂”下，地球磁場(chǎng)在背對(duì)太陽的一面會(huì)拖出一條長(zhǎng)長(zhǎng)的“尾巴”，這就是磁尾，可延伸長(zhǎng)達(dá)1000個(gè)地球半徑。在磁尾的磁赤道附近，存在一個(gè)特殊界面，因?yàn)閮蓚?cè)磁力線突然改變方向磁場(chǎng)強(qiáng)度變得微乎其微，這個(gè)界面被稱為中性片。在中性片兩側(cè)約10個(gè)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(dāng)太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，這些粒子還會(huì)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?jī)?chǔ)區(qū)和不穩(wěn)定的擾動(dòng)區(qū)，是很多磁層擾動(dòng)的發(fā)源地。而月球在繞地球運(yùn)行過程中，會(huì)周期性進(jìn)入地球磁尾，等離子體片中的高能帶電粒子會(huì)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(hào)！

地球磁層示意圖 | 圖源：中國(guó)大百科全書網(wǎng)絡(luò)版

但是，這個(gè)信號(hào)太弱了，平日里都淹沒在強(qiáng)大的太陽X射線和太陽風(fēng)直接撞擊月面產(chǎn)生的信號(hào)中（那個(gè)光斑圖），無法直接觀測(cè)。而當(dāng)月全食發(fā)生時(shí)，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(gè)“干凈”的觀測(cè)目標(biāo)。我們?cè)谌畴A段，黑色的月面上點(diǎn)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(yùn)行在近地軌道的空間X射線天文臺(tái)，由中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)研制，歐洲航天局、德國(guó)馬普地外物理研究所及法國(guó)宇航局等國(guó)際機(jī)構(gòu)參與合作，于2024年1月9日成功發(fā)射?！疤礻P(guān)”名字源自北宋時(shí)期中國(guó)觀測(cè)到的一顆超新星“天關(guān)客星”（SN 1054），彰顯了中國(guó)天文學(xué)的深厚底蘊(yùn)?！疤礻P(guān)”搭載了兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡：寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT，昵稱“萬星瞳”），主要負(fù)責(zé)巡天監(jiān)測(cè)；后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT，昵稱“風(fēng)行天”）則專注于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨率深度觀測(cè)。這讓“天關(guān)”兼具看得廣、看得清、響應(yīng)快的能力。

月球的“X光片”正是由“風(fēng)行天”望遠(yuǎn)鏡捕獲的，一方面得益于它較為寬大的視場(chǎng)，足以裝得下整個(gè)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(guó)eROSITA望遠(yuǎn)鏡的1/5、歐洲XMM-Newton天文臺(tái)的1/10，能夠捕捉微弱X射線信號(hào)，還原出獨(dú)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(xué)中心

不過原本主要用來觀測(cè)宇宙深處X射線源的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在要觀測(cè)“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(shí)間都不相同。為此，運(yùn)行團(tuán)隊(duì)專門制定了針對(duì)月全食的觀測(cè)程序，全程有效觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到15000秒左右，從食既到生光58分鐘的全食過程，“風(fēng)行天”足足觀測(cè)了50分鐘。科研團(tuán)隊(duì)和運(yùn)行團(tuán)隊(duì)的精心安排保證了望遠(yuǎn)鏡能夠獲取高質(zhì)量的觀測(cè)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(cè)圖像拼圖

圖源：天關(guān)衛(wèi)星科學(xué)中心

其實(shí)，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(guó)科學(xué)家首次用自主研發(fā)的空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)得到完整月亮的X光圖像。2025年，“風(fēng)行天”望遠(yuǎn)鏡也曾兩度拍攝月全食照片。與上次相比，本次觀測(cè)使用了望遠(yuǎn)鏡后端的另一個(gè)濾片，以增加對(duì)低能0.7keV以下的X射線的觀測(cè)有效面積。后續(xù)科學(xué)團(tuán)隊(duì)將對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步深入研究，希望揭示復(fù)雜的地月空間環(huán)境的奧秘。

參考資料

[1] “風(fēng)行天”首批科學(xué)數(shù)據(jù)助力人類探索宇宙——中國(guó)科學(xué)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(chǎng)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(guó)大百科全書（第三版）網(wǎng)絡(luò)版“地球磁場(chǎng)”（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(xué)審核：陳勇（“天關(guān)”衛(wèi)星后隨X射線望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)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(biāo)注