月亮有两面,为啥我们只能看到其中的一面?

12月8日2时23分,嫦娥四号探测器搭乘长征三号乙运载火箭,开始了奔月之旅。在经历地月转移、近月制动、环月飞行后,她将实现人类探测器首次月球背面软着陆。

 

敲黑板!请注意这里的关键词——月球背面。

曾经千百次举头望明月的你,是否留意过,我们始终只能看到月亮有玉兔和月桂树的那一面?没错,千百年来月球始终只有一面对着地球,另一面始终背对地球。这就有了正面与背面之分。

问题来了,是谁把月球变成了双面伊人?

  

同步自转只是表面原因

  

用一句话解释这个现象,也很容易:月球绕地球公转一圈和月球自转一圈的时间,都是28天左右。

想象一下,绕大树画个大圆圈,在大圆圈上均匀标出360个刻度。现在,你要始终面对这棵大树走一圈,用360步走完。你在大圆圈上每走1步,身体就倾斜1度。走完这个大圆圈时,你的身体也同时完成了360度旋转,回到原位。

也就是说,当你用同样的时间完成自转和公转时,你始终会一面对着大树,另一面背对大树。月球始终一面对着地球,另一面背对地球的现象也是如此。在天文学中,这叫同步自转。

然而,这只是表面原因。

“月球形成早期,自转速度比现在快多了。只有几个小时,而不是现在的28天左右。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者,对地球而言,月球也曾是“多面伊人”。数亿年来,月球自转速度不断变慢,慢到自转和公转时间几乎一样,才导致它始终一面对着地球。

所以,根本原因在于,是谁给月球自转踩了刹车?

  

潮汐力难辞其咎

  

要解释月球自转变慢,潮汐力是最容易想到的因素。

地球和月球相互绕转,且相互具有万有引力,彼此都会给对方施加潮汐力。

地球上的潮汐现象,就与月球对地球的引力有关。

住在海边的人,会发现海水一天有两次涨潮和落潮。一次是月亮在地球背面时,另一次是月亮在头顶时。

周礼勇解释说,这是因为地球正对月亮的那面,受到的月球引力更强;背对月亮的那面,受到的月球引力较弱。引力的方向都朝着月球。而地球在绕月球转时,无论哪个点的离心力都一样。离心力的方向与月球施加于地球的引力方向相反。

如此一来,地球背对月球的那面,受到的月球引力稍小于离心力,面对月球的那面月球引力稍大于离心力,最终两面都感受到一个离开地心方向的力。所以地球两侧的海水就涨起来了。

“月球在绕地球转时,同样会受到地球带来的潮汐力。”周礼勇说,地球潮汐力的作用,是让月球正对和背对地球的面都鼓起来,让月球变扁了。

尽管月球上没有海水,月壳、月幔和月核却依然可以感受到潮汐力,并在月球内部形成不断涌动的固体潮。这种固体潮导致月球幔层之间不断摩擦,转变为月壳内部的热能。这在几十亿年时间内,可以耗散月球部分动能。

  

力矩才是直接刹车机制

  

不过,潮汐力带来的摩擦耗散可能是有限的。

中科院国家天文台研究员平劲松和同事们研究发现,月核与月幔之间的流体属于超低粘性层,这意味着潮汐力所引发的月核与月幔之间的摩擦力很小,不至于耗散月球太多动能。

“关键在于潮汐作用引起的摩擦作用发生在月球内部,这种过程只能间接导致月球自转变慢,而不能直接给月球自转踩刹车。”周礼勇说。

两位天文学者都认为,最直接的刹车机制是地球与月球之间的力矩作用。力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。

周礼勇解释说,月球在逐渐变扁的过程中,依然要在绕着地球公转的同时自转。想象在月球内部,有一条与地心和月心连线方向一致的长轴。长轴在瞬间是指着地心的,但由于月球要自转,下一瞬间这条长轴就会偏过去,不再指着地心。

这时,来自地球的潮汐力对月球这个长轴的两端都会产生力矩。这个力矩与长轴偏移过去的方向相反,也就是跟月球自转方向正好相反。这会直接改变月球自转的角动量,导致月球自转速度逐渐减慢。

平劲松用一个简单的小实验来解释地球与月球之间的力矩作用。

在一个转盘中心固定一块磁铁,代表地球。在转盘的边缘固定一个指南针,代表月球。弹动指南针,让指针快速旋转,代表月球自转。然后迅速转动转盘。你会发现,在转盘转动的过程中,原本快速旋转的指针会慢慢停下来,最终指向转盘中心的磁铁。

让指针停下来的,正是力矩的作用。月球自转减慢的原理与此类似。

总之,由于以上机制,天长月久月球自转逐渐变慢,直到自转周期和公转周期相差无几。

最终出现始终有一面背对地球的结果,也就是被地球“潮汐锁定”了。

  

不只月球有“背面”

  

有趣的是,在宇宙中,不仅仅月球始终将一面背对着自己所绕转的行星。

“受潮汐力和力矩的影响,所有的行星-卫星系统,甚至恒星-行星系统都在趋向于这种结果。”周礼勇介绍,也就是说,不只行星可以锁定它的卫星,恒星也可以锁定它的行星。只不过,这个过程非常之慢,可能在实现潮汐锁定之前,天体系统就消亡了。

平劲松告诉科技日报记者,在太阳系内,火星、木星、土星都存在锁定自己卫星的情况,冥王星与冥卫一互相用同一面对着彼此。水星的自转周期则是公转周期的2/3,被太阳部分锁定。

或许有一天,地球也可能只有一面对着太阳,另一面永远成了“背面”。只是,你我在有生之年肯定看不到了。

 

来源:科技日报  文中图片均来自网络


编辑:朱丽

审核:王小龙

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