元宵節晚上“天關”衛星給月亮拍了張X光片

3月3日元宵節晚上，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”衛星也悄悄給月亮照了“X光片”，不僅為我們呈現了難得一見的“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過程。

拍出月亮“陰陽臉”

在天關衛星科學中心剛剛發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。在月食發生前后，月球呈現一個光亮的圓面。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日天關衛星“風行天”望遠鏡（FXT）拍攝的月全食圖像

圖源：天關衛星科學中心

2026年3月3日天關衛星“風行天”望遠鏡拍攝的月全食動圖

圖源：天關衛星科學中心

首先說這明亮的圖。與我們在醫院拍的人體骨骼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。我們都知道月亮本身并不發光，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層電子“撞”出去，令原子處于不穩定的激發態。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構成的。

天關衛星“風行天”望遠鏡在2024年中秋節拍攝的

月球鐵線（0.7 keV左右）圖像

圖源：天關衛星科學中心

或許有人會問，我們不是已經有嫦娥系列探測器，不僅繞月飛行，還順利取回了月壤，那為什么還需要用“天關”衛星拍攝？繞月衛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”衛星視場大，距離也遠，可以拍到整個月亮，雖然達不到繞月衛星的精度，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

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”衛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域內的高能帶電粒子了。

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沉降，形成極光。等離子體片又是地球磁層能量儲區和不穩定的擾動區，是很多磁層擾動的發源地。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，激發月球物質產生X射線，這正是“天關”衛星要捕捉的核心信號！

地球磁層示意圖 | 圖源：中國大百科全書網絡版

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生的信號中（那個光斑圖），無法直接觀測。而當月全食發生時，月球恰好處于地球本影與磁尾的疊加區域，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。

專為月全食調整程序

“天關”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參與合作，于2024年1月9日成功發射。“天關”名字源自北宋時期中國觀測到的一顆超新星“天關客星”（SN 1054），彰顯了中國天文學的深厚底蘊。“天關”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”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”衛星（愛因斯坦探針，EP）想象畫 | 圖源：天關衛星科學中心

不過原本主要用來觀測宇宙深處X射線源的望遠鏡，現在要觀測“近在咫尺”的月球，還是有些挑戰的。“天關”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轉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。科研團隊和運行團隊的精心安排保證了望遠鏡能夠獲取高質量的觀測數據。

2025年3月14日月全食和9月7日月全食期間“天關”衛星觀測圖像拼圖

圖源：天關衛星科學中心

其實，這也不是“天關”第一次給月球拍片子。2024年9月17日中秋節之際，“天關”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。后續科學團隊將對觀測數據展開進一步深入研究，希望揭示復雜的地月空間環境的奧秘。

參考資料

[1] “風行天”首批科學數據助力人類探索宇宙——中國科學院和歐空局聯合發布首批“天關”衛星公開數據（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構（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）網絡版“地球磁場”（https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=580833&Type=bkzyb&SubID=157242）

作者：施韡（上海科技館天文研究中心）

科學審核：陳勇（“天關”衛星后隨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