誰給月球自轉踩了剎車?

作者:Yolanda 發表日期:2018-01-12 06:12:15

在太陽潮汐力和月亮潮汐力的共同作用下,地球上形成了潮漲潮落的現象。

本報記者 劉園園

1月份,月球將在天幕獻上「專場演出」。1月初的超級月亮之後,1月31日月全食又將上演。雖然可以更加清晰地欣賞月亮,但一個令人遺憾的事實是,你始終隻能看到它有玉兔和月桂樹的那一麵。

不管你是否注意過,千百年來月球隻有一麵對着地球。另一麵,始終背對地球。

難道月亮的另一麵太醜,不願示人嗎?

同步自轉隻是表麵原因

這個現象,用天文學知識解釋起來也簡單:因為月球繞地球公轉一圈的時間和月球自轉一圈的時間大致相同,都是28天左右。

想像一下,繞一棵大樹畫一個大圓圈,並在這個大圓圈上均勻標出360個刻度。假設你要始終麵對這棵大樹走一圈,一共用360步走完。而在大圓圈上每走1步,你的身體也會傾斜1度。那麽在走完這個大圓圈時,你的身體也同時完成了360度旋轉,並回到原位。

也就是說,當用同樣的時間完成自轉和公轉時,你始終是同一麵對着大樹的。月球也是如此。「在天文學中,這叫做同步自轉。」南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇接受科技日報記者采訪時說。

然而,這隻是表麵原因。

「在月球形成早期,它的自轉速度比現在快多了。自轉周期隻有幾個小時,而不是現在的28天左右。」周禮勇介紹,對地球而言,月球也曾是一位「多麵伊人」。隻是數億年來,月球自轉速度不斷變慢,才導致它始終一麵對着地球。

那麽,到底是誰給月球自轉踩了剎車?

最老生常談的是潮汐力

要解釋月球自轉變慢,潮汐力是最容易想到的一個因素。

說起潮汐力,很多人會想到地球表麵的潮汐現象。沒錯,潮汐現象的幕後推手就是潮汐力。

地球和月球之間是相互繞轉的,且相互施加萬有引力。它們彼此都會給對方施加潮汐力。地球上的潮汐現象,就與月球對地球的引力有關。

住在海邊的人,會發現海水一天有兩次漲潮和落潮。一次是月亮在地球背麵的時候,另一次是月亮在頭頂的時候。

周禮勇解釋說,這是因為地球正對着月亮的那麵,感受到的月球引力較強;背對着月亮的那麵,感受到的月球引力較弱。引力的方向都朝着月球。而地球在繞月球轉時,無論哪個點的離心力都是一樣的。離心力的方向與月球施加於地球的引力方向相反。

如此一來,地球上背對月球的那一麵,受到的月球引力稍小於離心力,而麵對月球的那一麵月球引力稍大於離心力,最終的等效結果就是這兩麵都感受到一個離開地心方向的力。所以地球兩側的海水就漲起來了。

「月球在繞地球轉時,同樣也會感受到地球帶來的潮汐力。」周禮勇說,地球潮汐力的作用,是讓月球正對和背對地球的麵都鼓起來,也就是讓月球變扁了。

盡管月球上沒有海水,月殼、月幔和月核卻依然可以感受到潮汐力,並在月球內部形成一種不斷湧動的固體潮。這種固體潮導致月球幔層之間不斷摩擦,轉變為月殼內部的熱能。這在幾十億年的時間內,可以耗散月球的部分動能。

力矩才是直接剎車機製

不過,中科院國家天文台研究員平勁鬆的研究發現,潮汐力帶來的摩擦耗散可能是有限的。

幾年前,平勁鬆曾和同事發表一項關於月球的研究。他們發現,月核與月幔之間的流體屬於超低黏性層,這意味着潮汐力所引發的月核與月幔之間的摩擦力很小,不至於耗散月球太多動能。

「關鍵在於潮汐作用引起的摩擦作用發生在月球內部,這種過程隻能間接導致月球自轉變慢,而不能直接給月球自轉踩剎車。」周禮勇說。

兩位接受科技日報記者采訪的天文學者都認為,最直接的剎車機製其實是地球與月球之間的力矩作用。

在潮汐作用之下變扁了的月球,依然要在繞着地球公轉的同時自轉。周禮勇解釋說,可以想像月球鼓起來的兩側,就像兩隻突起來的「耳朵」,兩隻「耳朵」的連線本應該指着地心方向。但是由於月球要自轉,這兩隻「耳朵」的連線實際上會有一點點偏移,不再指着地心。

這個時候,來自地球的潮汐力會對月球上突起來的兩隻「耳朵」都產生一個力矩,把兩隻「耳朵」往回拽,跟月球自轉的方向正好相反。拽著拽著,月球的自轉速度也就逐漸減慢了。

平勁鬆用一個簡單的小實驗解釋地球與月球之間的力矩作用。

在一個轉盤中心固定一塊磁鐵,代表地球。在轉盤的邊緣固定一個指南針,代表月球。彈動指南針,讓指針快速旋轉,代表月球自轉。然後迅速轉動轉盤。你會發現,在轉盤轉動的過程中,原本快速旋轉的指針會慢慢停下來,最終指向轉盤中心的磁鐵。

讓指針停下來的,正是力矩的作用。月球自轉減慢的原理與此類似。

月球是個「兩麵派」

由於以上機製,月球自轉逐漸變慢,直到和公轉速度一樣。最終出現始終一麵對着地球的結果,也就是被地球「潮汐鎖定」了。

而且更為神奇的是,月球麵對和背對地球的一麵,有很大不同。這就是所謂的月球「二分性」。

平勁鬆告訴科技日報記者,月球麵對地球的這麵隕石坑更大、更密集,玄武岩的分佈更多。而背對地球的那一麵則有更多高山。

「我們的研究還發現,月球的重心跟它的形狀中心之間,相差兩公裏。也就是月球重心更接近地球,而形狀中心更遠離地球。」平勁鬆說。

這可以理解為,月球對着地球的半球更小,卻更重。月球背着地球的半球體積更大,但是卻更輕。在平勁鬆看來,月球形狀和質量分佈的不均,會進一步增強力矩的作用,讓月球自轉減速更明顯。

至於月球的兩麵為何會出現如此大的差異,天文學界也莫衷一是。

比如,為何月球麵對着地球的這一麵有更多隕石坑?有人認為,月球麵對地球的這麵被地球擋住了,按說受到其他天體的撞擊更少才對。有人卻認為,這是因為地球的引力起到的聚焦作用,反而使月球對着地球的那麵承受了更多撞擊。

有趣的是,在宇宙中,不僅僅月球隻將一麵對着自己所繞轉的行星。

「受潮汐力和力矩的影響,所有的行星—衛星係統,甚至恆星—行星係統都在趨向於這種結果。」周禮勇介紹,也就是說,不隻是行星可以鎖定它的衛星,恆星也可以鎖定它的行星。隻不過,這個過程非常慢,可能在實現潮汐鎖定之前,天體係統就消亡了。

平勁鬆介紹,在太陽係內,火星、木星、土星都存在鎖定自己衛星的情況,冥王星與冥衛一互相用同一麵對着彼此。水星的自轉周期則是公轉周期的2/3,被太陽部分鎖定。

或許有一天,地球也可能隻有一麵對着太陽。隻是,你我在有生之年肯定看不到了。


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