元宵节晚上“天关”卫星给月亮拍了张X光片

3月3日元宵节晚上，天空上演了一场奇妙的月全食天象。正当人们兴致勃勃地欣赏天空中红色的“汤圆”时，正在太空中运行的中国“天关”卫星也悄悄给月亮照了“X光片”，不仅为我们呈现了难得一见的“两面派”月亮，还借助这个天赐良机，还原了地球磁尾与月表相互作用的动态过程。

拍出月亮“阴阳脸”

在天关卫星科学中心刚刚发布的一组元宵月全食“X光片”中，我们可以看到月亮一明一暗两张脸。在月食发生前后，月球呈现一个光亮的圆面。这张照片中，没有皎洁的月光，没有清晰的环形山，也没有斑驳的月海，取而代之的是明暗不均的光斑。随着月球进入地球的本影，阴影逐渐吞噬了圆面。全食阶段的月亮几乎全黑，与我们眼睛看到的红月亮大相径庭，不过如果再仔细看，似乎黑乎乎的月面上还有少许雪花似的光点。

2026年3月3日天关卫星“风行天”望远镜（FXT）拍摄的月全食图像

图源：天关卫星科学中心

2026年3月3日天关卫星“风行天”望远镜拍摄的月全食动图

图源：天关卫星科学中心

首先说这明亮的图。与我们在医院拍的人体骨骼X光片有所不同，月球的X光片的原理更像是纸币的荧光防伪技术。我们都知道月亮本身并不发光，月球的X射线同样来自太阳。阳光中的X射线轰击到月球表面时，会像拳头击打进沙子一样，把月球土壤和岩石中元素的内层电子“撞”出去，令原子处于不稳定的激发态。几乎就在同时，外层电子会迅速“跳”进来填补这个空缺，这个过程将释放出新的能量，也就是具有特定波长的X射线。每种化学元素释放的X射线波长都独一无二，堪比DNA，因此通过分析这些X射线（谱线），科学家就能知道月球的表面是由什么物质构成的。

天关卫星“风行天”望远镜在2024年中秋节拍摄的

月球铁线（0.7 keV左右）图像

图源：天关卫星科学中心

或许有人会问，我们不是已经有嫦娥系列探测器，不仅绕月飞行，还顺利取回了月壤，那为什么还需要用“天关”卫星拍摄？绕月卫星的探测范围比较小，精度比较高，着陆取样则是针对月球表面及浅层，属于“零距离触摸”；而“天关”卫星视场大，距离也远，可以拍到整个月亮，虽然达不到绕月卫星的精度，但是能获得全面的感知。这正是空间探测的互补性所在。

探究地球磁尾神秘区

可能你会好奇，为什么一定要在月全食的时候拍X光片呢？“天关”卫星可不是在凑热闹哦，而是利用月全食这一难得机会研究地球磁尾与月面的相互作用。

月全食天象产生的原因是太阳、地球、月球三者精准排成一条直线。因此，当月球完全进入地球本影时，地球成为一道天然屏障，将来自太阳的绝大部分干扰都挡住了。一部分是太阳光，也就是电磁波，其中当然就包含了X射线；另一部分是太阳风，就是从太阳表面释放出的高能带电粒子流。虽说月全食阶段我们眼睛仍然能看见一轮“血月”，那是因为地球大气能将阳光折射到月面上，可见光中波长较短的蓝光容易在大气中散射，波长较长的红光则不易被散射。但是对X射线而言，几乎完全被地球大气吸收，处在地球本影中的月球是不会受到来自太阳的X射线轰击的。而太阳风则被地球磁层偏转和屏蔽，最大限度地远离月球表面。那么剩下的便只有地球磁尾区域内的高能带电粒子了。

月食形成原理图 | 图源：Vito Technology

要理解这个过程，我们需要先简单认识一下地球磁尾与等离子体片。地球自身拥有强大的磁场，在太阳风的“吹拂”下，地球磁场在背对太阳的一面会拖出一条长长的“尾巴”，这就是磁尾，可延伸长达1000个地球半径。在磁尾的磁赤道附近，存在一个特殊界面，因为两侧磁力线突然改变方向磁场强度变得微乎其微，这个界面被称为中性片。在中性片两侧约10个地球半径的范围里，又充满着大量高能带电粒子，被称为等离子体片。当太阳活动剧烈时，这些粒子还会沿磁力线向地球极区沉降，形成极光。等离子体片又是地球磁层能量储区和不稳定的扰动区，是很多磁层扰动的发源地。而月球在绕地球运行过程中，会周期性进入地球磁尾，等离子体片中的高能带电粒子会直接撞击月球表层，激发月球物质产生X射线，这正是“天关”卫星要捕捉的核心信号！

地球磁层示意图 | 图源：中国大百科全书网络版

但是，这个信号太弱了，平日里都淹没在强大的太阳X射线和太阳风直接撞击月面产生的信号中（那个光斑图），无法直接观测。而当月全食发生时，月球恰好处于地球本影与磁尾的叠加区域，摆脱了太阳的直接干扰，成为一个“干净”的观测目标。我们在全食阶段，黑色的月面上点状的光斑，就是地球磁尾等离子体片中高能粒子与月表作用的痕迹。

专为月全食调整程序

“天关”又叫“爱因斯坦探针”（EP），是运行在近地轨道的空间X射线天文台，由中国科学院主导研制，欧洲航天局、德国马普地外物理研究所及法国宇航局等国际机构参与合作，于2024年1月9日成功发射。“天关”名字源自北宋时期中国观测到的一颗超新星“天关客星”（SN 1054），彰显了中国天文学的深厚底蕴。“天关”搭载了两台望远镜：宽视场X射线望远镜（WXT，昵称“万星瞳”），主要负责巡天监测；后随X射线望远镜（FXT，昵称“风行天”）则专注于对目标进行高分辨率深度观测。这让“天关”兼具看得广、看得清、响应快的能力。

月球的“X光片”正是由“风行天”望远镜捕获的，一方面得益于它较为宽大的视场，足以装得下整个满月，另一方面仰仗其极低的背景噪声和超高灵敏度，其粒子本底仅为德国eROSITA望远镜的1/5、欧洲XMM-Newton天文台的1/10，能够捕捉微弱X射线信号，还原出独特的月球X光影像。

“天关”卫星（爱因斯坦探针，EP）想象画 | 图源：天关卫星科学中心

不过原本主要用来观测宇宙深处X射线源的望远镜，现在要观测“近在咫尺”的月球，还是有些挑战的。“天关”轨道高度约600公里，绕地球一圈约97分钟，因此拍摄月全食全过程需要它连续转5圈，每一圈朝向月球的角度和拍摄时间都不相同。为此，运行团队专门制定了针对月全食的观测程序，全程有效观测时长达到15000秒左右，从食既到生光58分钟的全食过程，“风行天”足足观测了50分钟。科研团队和运行团队的精心安排保证了望远镜能够获取高质量的观测数据。

2025年3月14日月全食和9月7日月全食期间“天关”卫星观测图像拼图

图源：天关卫星科学中心

其实，这也不是“天关”第一次给月球拍片子。2024年9月17日中秋节之际，“天关”便从太空传回过月球的X射线照片，也是中国科学家首次用自主研发的空间望远镜观测得到完整月亮的X光图像。2025年，“风行天”望远镜也曾两度拍摄月全食照片。与上次相比，本次观测使用了望远镜后端的另一个滤片，以增加对低能0.7keV以下的X射线的观测有效面积。后续科学团队将对观测数据展开进一步深入研究，希望揭示复杂的地月空间环境的奥秘。

参考资料

[1] “风行天”首批科学数据助力人类探索宇宙——中国科学院和欧空局联合发布首批“天关”卫星公开数据（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射线下的月亮（http://bolide.lamost.org/articles/article10.htm）

[4] 地球磁场就像洋葱？一文了解地球磁层的三层结构（https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=419883）

[5] 中国大百科全书（第三版）网络版“地球磁场”（https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=580833&Type=bkzyb&SubID=157242）

作者：施韡（上海科技馆天文研究中心）

科学审核：陈勇（“天关”卫星后随X射线望远镜负责人、中国科学院高能物理研究所研究员）

编辑：晚香玉

审校：李岩松、李渊渊

图源：已在文中标注