【宇宙科普】月球分毫不差地以同一面對著地球,這並不是什麼巧合

樂享網 2020-10-24

作為我們地球的衛星,月球有一個引人注目的特點,那就是它在圍繞著地球公轉的過程中,一直只用同一面對著地球,以至於我們無法根本看到月球的背面是什麼樣子。那麼問題就來了,為何在地球上始終不能看到月球的背面?這是巧合,還是另有原因呢?

如果說這是巧合的話,那這樣的現象就不免讓人浮想聯翩,甚至還有人猜測月球本身就是一艘巨大的外星飛船,而其目的就是用來監視地球,不得不說,這是一個非常迷人的想法。

然而事實卻不是這樣,科學家告訴我們,月球分毫不差地以同一面對著地球,是因為月球自轉一圈所用的時間,剛好與月球公轉一圈的時間相等,但這並不是什麼巧合!這其實是月球被地球潮汐鎖定的結果,下面我們就來講一下。

我們都知道,月球、地球乃至所有被稱為「星球」的天體都是圓的,那為什麼會這樣呢?其實這是因為引力,雖然引力是四大基本力中最弱的一種力,但因為引力是一種長程力,並且可以無限疊加,所以當一個天體的質量達到一定程度的時候,其自身的引力就會造成整個星體發生形變。

在巨大的引力面前,構成星球的物質在整體上會呈現出流體的性質,而當它們達到流體靜力平衡時,就成為了一個球體,月球當然也不例外。

很顯然,由於地球的引力巨大,因此地球的引力也會對月球的形狀產生影響,而因為引力的大小與距離的平方成反比,所以月球的各個部位受到的地球引力存在著很大的差距,在這種情況下,月球的流體靜力平衡就會被地球引力破壞,從而在其正面和背面形成隆起(原因是引力和「慣性力」),這被稱為潮汐隆起。

如上圖所示,月球的公轉速度為v1、自轉速度為v2,當月球在「月球1」的位置上時,其形狀被地球引力拉伸成了一個橢球形(注:圖中的形狀是為了方便討論,實際上只是拉伸了一點,並沒有這麼誇張)。

由於月球上的潮汐隆起需要一段時間後才能恢復原狀,因此如果月球的自轉速度v2大於其公轉速度v1,那麼當月球運行到「月球2」的位置上時,在「月球1」的位置上形成的潮汐隆起就會偏離原來的方向(紅色部分)。

因為與地球的距離不同,所以月球正面的潮汐隆起所受到的力F,會比其背面的潮汐隆起所受到的F'大一些,這就相當於地球的引力給月球施加了扭矩,而其效應與月球自轉方向相反,在這種情況下,月球的自轉速度就會減慢。

反過來講,如果月球的自轉速度v2小於其公轉速度v1,那麼這種扭矩的效應就與自轉方向相同,在這種情況下,月球的自轉速度就會加速。

總而言之,這種機制的效應就是永遠指向月球的自轉週期和公轉週期同步,如果月球的自轉速度快了,這種機制就會讓月球的自轉減速,反之則讓月球的自轉加速,日積月累之下,其最終的結果就是月球被地球潮汐鎖定,分毫不差地以同一面對著地球,我們在地球上也就始終不能看到月球的背面了。由此我們可以看到,這並不是什麼巧合。

其實在太陽系中潮汐鎖定這種現象並不罕見,比如說木星和土星的很多衛星都是被潮汐鎖定了的,其中就包括大名鼎鼎的木衛二(Europa)和土衛六(Titan)。相對而言,冥王星和它的衛星——冥衛一(Charon)就顯得比較「奇葩」,因為它們居然是互相潮汐鎖定的(如下圖所示),而其原因就是冥王星的質量太小了。

值得一提的是,研究人員通過高精度的計時系統發現,平均每一年,地球的自轉週期就慢16微秒(1秒相當於100萬微秒),這就說明瞭月球的引力也會對地球造成同樣的影響,只不過因為月球的質量比較小,所它對地球自轉的影響就顯得非常有限。

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