首次拍到完整滿月X光圖像，月球?qū)氂凶V了！

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

近期，中國(guó)科學(xué)家利用“愛(ài)因斯坦探針”衛(wèi)星上搭載的“風(fēng)行天”空間X射線望遠(yuǎn)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(cè)上有什么用？給月亮拍X光，難在哪里？中國(guó)科學(xué)家首次拍到完整的滿月X光圖像，實(shí)現(xiàn)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(lái)了解下“風(fēng)行天”給月球拍X光的那些事！

根據(jù)波長(zhǎng)和頻率，電磁波可以分成不同的波段，比如X射線、紫外、可見(jiàn)光、紅外、微波等。我們?nèi)庋劭吹降氖强梢?jiàn)光波段。X射線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光要短，但頻率和能量則比可見(jiàn)光高得多。通常X射線產(chǎn)生于高能天體的爆發(fā)過(guò)程中，比如恒星壽命末期的超新星爆炸，比如兩個(gè)黑洞發(fā)生劇烈碰撞等都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線。甚至我們的太陽(yáng)也在時(shí)刻產(chǎn)生X射線，當(dāng)太陽(yáng)表面爆發(fā)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的時(shí)候，會(huì)伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線。因此X射線是天文學(xué)上用于研究高能天體及其爆發(fā)事件的重要手段。由于X射線波長(zhǎng)很短，在通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)被吸收，因此需要將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中才能開(kāi)展X射線天文觀測(cè)。“愛(ài)因斯坦探針”衛(wèi)星就是一個(gè)X射線天文臺(tái)，它的科學(xué)目標(biāo)是利用X射線對(duì)高能天體進(jìn)行“體檢”，獲得通過(guò)分析高能天體產(chǎn)生的X射線信號(hào)，對(duì)高能天體及其爆發(fā)的物理過(guò)程進(jìn)行分析，增進(jìn)我們對(duì)宇宙形成與演化的科學(xué)認(rèn)知。

“風(fēng)行天”是“愛(ài)因斯坦探針”衛(wèi)星上搭載的X射線望遠(yuǎn)鏡。給月亮拍X光是“風(fēng)行天”在太空小試牛刀，看起來(lái)似乎很輕松，但其實(shí)并不簡(jiǎn)單。首先，望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)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(dǎo)致一般的X射線望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)很小，難以覆蓋完整滿月；其次，給月球拍X光需要一定的時(shí)間積累，因此要求衛(wèi)星具有對(duì)月球的精確跟蹤能力，隨時(shí)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的指向，使得月球一直處于視場(chǎng)的中心。實(shí)際上，歷史上只有德國(guó)和美國(guó)的兩顆衛(wèi)星對(duì)月面成功進(jìn)行了X射線成像觀測(cè)，但都沒(méi)有獲得滿月圖像。

“風(fēng)行天”之所以能夠拍攝完整的滿月X光圖像，是因?yàn)椤疤鞎r(shí)、地利、人和”。首先，今年處于太陽(yáng)活動(dòng)高年，太陽(yáng)耀斑頻繁爆發(fā)，太陽(yáng)的X射線流量會(huì)急劇增高，月面的X射線輻射也會(huì)隨之增強(qiáng)，這是“天時(shí)”因素。其次，今年中秋節(jié)，月亮恰恰處于地月軌道的近地點(diǎn)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(jí)月亮”，這是“地利”因素。最后，也是最重要的，“風(fēng)行天”同時(shí)突破了大視場(chǎng)X射線探測(cè)和敏捷姿態(tài)跟蹤技術(shù)。一方面，“風(fēng)行天”突破了多層嵌套金屬聚焦鏡技術(shù)，利用多達(dá)54層金屬鏡面將更大范圍的X射線聚焦到探測(cè)器上并行讀出，從而克服了X射線聚焦難、望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)小的弊端，使得“風(fēng)行天”的視場(chǎng)直徑高達(dá)1°，從而才可能將“超級(jí)月亮”一覽無(wú)余。多層嵌套金屬聚焦鏡對(duì)設(shè)計(jì)、制造、加工、裝配、調(diào)試要求極高，此前只有德國(guó)的倫琴衛(wèi)星的視場(chǎng)直徑達(dá)到了拍攝滿月所需33.4角分的基本要求。另一方面，“風(fēng)行天”的姿態(tài)控制能力出色，具有敏捷的月亮跟蹤能力，能夠始終將望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中心對(duì)準(zhǔn)月面中心，保障了在運(yùn)動(dòng)中對(duì)“月面”精確成像，而倫琴衛(wèi)星上天不到1年姿態(tài)控制系統(tǒng)就出現(xiàn)了故障。中國(guó)設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破也是保證“風(fēng)行天”拍照成功的“人和”因素。

“風(fēng)行天”成功拍到滿月X光圖像表明中國(guó)在X射線天文探測(cè)技術(shù)方面已經(jīng)快速追上國(guó)際同行、甚至在部分技術(shù)點(diǎn)上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平?！帮L(fēng)行天”探測(cè)器所拍攝的月面X光圖像，無(wú)疑為月球科學(xué)研究開(kāi)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(qū)域。這些寶貴的數(shù)據(jù)不僅加深了我們對(duì)月球地質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解，更為未來(lái)開(kāi)發(fā)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”?？丛虑騼H僅是“風(fēng)行天”兼職工作，其實(shí)它更擅長(zhǎng)的其實(shí)是探測(cè)黑洞并合、超新星爆發(fā)等高能天體物理過(guò)程，期待未來(lái)“風(fēng)行天”能夠在宇宙探索中給我們帶來(lái)更多驚喜。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：李明濤

審核：孫志斌 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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