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近期，中国科学家利用“爱因斯坦探针”卫星上搭载的“风行天”空间X射线望远镜，在太空中首次拍下了完整满月的X光图像。X光图像，在天文观测上有什么用？给月亮拍X光，难在哪里？中国科学家首次拍到完整的满月X光图像，实现了哪些突破？为什么要给月亮拍X光？月面X光图像又有什么用？大家好，我是李明涛，今天我们来了解下“风行天”给月球拍X光的那些事！

根据波长和频率，电磁波可以分成不同的波段，比如X射线、紫外、可见光、红外、微波等。我们肉眼看到的是可见光波段。X射线的波长比可见光要短，但频率和能量则比可见光高得多。通常X射线产生于高能天体的爆发过程中，比如恒星寿命末期的超新星爆炸，比如两个黑洞发生剧烈碰撞等都会产生强烈的X射线。甚至我们的太阳也在时刻产生X射线，当太阳表面爆发耀斑和日冕物质抛射的时候，会伴随产生强烈的X射线。因此X射线是天文学上用于研究高能天体及其爆发事件的重要手段。由于X射线波长很短，在通过大气层时会被吸收，因此需要将望远镜发射到太空中才能开展X射线天文观测。“爱因斯坦探针”卫星就是一个X射线天文台，它的科学目标是利用X射线对高能天体进行“体检”，获得通过分析高能天体产生的X射线信号，对高能天体及其爆发的物理过程进行分析，增进我们对宇宙形成与演化的科学认知。

“风行天”是“爱因斯坦探针”卫星上搭载的X射线望远镜。给月亮拍X光是“风行天”在太空小试牛刀，看起来似乎很轻松，但其实并不简单。首先，望远镜视场直径必须大于33.4角分才能拍到完整满月，而X射线很难被聚焦成像，导致一般的X射线望远镜的视场很小，难以覆盖完整满月；其次，给月球拍X光需要一定的时间积累，因此要求卫星具有对月球的精确跟踪能力，随时调整望远镜的指向，使得月球一直处于视场的中心。实际上，历史上只有德国和美国的两颗卫星对月面成功进行了X射线成像观测，但都没有获得满月图像。

“风行天”之所以能够拍摄完整的满月X光图像，是因为“天时、地利、人和”。首先，今年处于太阳活动高年，太阳耀斑频繁爆发，太阳的X射线流量会急剧增高，月面的X射线辐射也会随之增强，这是“天时”因素。其次，今年中秋节，月亮恰恰处于地月轨道的近地点附近，月亮相比普通满月面积增大约14%，而且亮度更高，因此被称为“超级月亮”，这是“地利”因素。最后，也是最重要的，“风行天”同时突破了大视场X射线探测和敏捷姿态跟踪技术。一方面，“风行天”突破了多层嵌套金属聚焦镜技术，利用多达54层金属镜面将更大范围的X射线聚焦到探测器上并行读出，从而克服了X射线聚焦难、望远镜视场小的弊端，使得“风行天”的视场直径高达1°，从而才可能将“超级月亮”一览无余。多层嵌套金属聚焦镜对设计、制造、加工、装配、调试要求极高，此前只有德国的伦琴卫星的视场直径达到了拍摄满月所需33.4角分的基本要求。另一方面，“风行天”的姿态控制能力出色，具有敏捷的月亮跟踪能力，能够始终将望远镜视场中心对准月面中心，保障了在运动中对“月面”精确成像，而伦琴卫星上天不到1年姿态控制系统就出现了故障。中国设计师实现的技术突破也是保证“风行天”拍照成功的“人和”因素。

“风行天”成功拍到满月X光图像表明中国在X射线天文探测技术方面已经快速追上国际同行、甚至在部分技术点上已经达到国际领先水平。“风行天”探测器所拍摄的月面X光图像，无疑为月球科学研究开启了新的篇章。这些X光图像深入揭示了氧、铁、镁、铝和硅等重要元素在月球表面的具体含量及其分布区域。这些宝贵的数据不仅加深了我们对月球地质结构的理解，更为未来开发利用月球表面的丰富矿物资源提供了一幅详尽而珍贵的“寻宝图”。看月球仅仅是“风行天”兼职工作，其实它更擅长的其实是探测黑洞并合、超新星爆发等高能天体物理过程，期待未来“风行天”能够在宇宙探索中给我们带来更多惊喜。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：李明涛

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司