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近期，中國科學家利用“愛因斯坦探針”衛星上搭載的“風行天”空間X射線望遠鏡，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？中國科學家首次拍到完整的滿月X光圖像，實現了哪些突破？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“風行天”給月球拍X光的那些事！

根據波長和頻率，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。我們肉眼看到的是可見光波段。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射線產生于高能天體的爆發過程中，比如恒星壽命末期的超新星爆炸，比如兩個黑洞發生劇烈碰撞等都會產生強烈的X射線。甚至我們的太陽也在時刻產生X射線，當太陽表面爆發耀斑和日冕物質拋射的時候，會伴隨產生強烈的X射線。因此X射線是天文學上用于研究高能天體及其爆發事件的重要手段。由于X射線波長很短，在通過大氣層時會被吸收，因此需要將望遠鏡發射到太空中才能開展X射線天文觀測。“愛因斯坦探針”衛星就是一個X射線天文臺，它的科學目標是利用X射線對高能天體進行“體檢”，獲得通過分析高能天體產生的X射線信號，對高能天體及其爆發的物理過程進行分析，增進我們對宇宙形成與演化的科學認知。

“風行天”是“愛因斯坦探針”衛星上搭載的X射線望遠鏡。給月亮拍X光是“風行天”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，導致一般的X射線望遠鏡的視場很小，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，因此要求衛星具有對月球的精確跟蹤能力，隨時調整望遠鏡的指向，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星對月面成功進行了X射線成像觀測，但都沒有獲得滿月圖像。

“風行天”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，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，這是“天時”因素。其次，今年中秋節，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，“風行天”同時突破了大視場X射線探測和敏捷姿態跟蹤技術。一方面，“風行天”突破了多層嵌套金屬聚焦鏡技術，利用多達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、望遠鏡視場小的弊端，使得“風行天”的視場直徑高達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計、制造、加工、裝配、調試要求極高，此前只有德國的倫琴衛星的視場直徑達到了拍攝滿月所需33.4角分的基本要求。另一方面，“風行天”的姿態控制能力出色，具有敏捷的月亮跟蹤能力，能夠始終將望遠鏡視場中心對準月面中心，保障了在運動中對“月面”精確成像，而倫琴衛星上天不到1年姿態控制系統就出現了故障。中國設計師實現的技術突破也是保證“風行天”拍照成功的“人和”因素。

“風行天”成功拍到滿月X光圖像表明中國在X射線天文探測技術方面已經快速追上國際同行、甚至在部分技術點上已經達到國際領先水平。“風行天”探測器所拍攝的月面X光圖像，無疑為月球科學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域。這些寶貴的數據不僅加深了我們對月球地質結構的理解，更為未來開發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”。看月球僅僅是“風行天”兼職工作，其實它更擅長的其實是探測黑洞并合、超新星爆發等高能天體物理過程，期待未來“風行天”能夠在宇宙探索中給我們帶來更多驚喜。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：李明濤

審核：孫志斌 中國科學院國家空間科學中心 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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