作者:刘园园 来源:科技日报 发布时间:2018/1/11 10:39:59
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谁给月球自转踩了刹车

在太阳潮汐力和月亮潮汐力的共同作用下,地球上形成了潮涨潮落的现象。

对地球而言,月球曾是一位“多面伊人”。但数亿年来,月球自转速度不断变慢,慢到自转周期和公转周期几乎一样,导致它始终是同一面对着地球。那么——

本报记者 刘园园

1月份,月球将在天幕献上“专场演出”。1月初的超级月亮之后,1月31日月全食又将上演。虽然可以更加清晰地欣赏月亮,但一个令人遗憾的事实是,你始终只能看到它有玉兔和月桂树的那一面。

不管你是否注意过,千百年来月球只有一面对着地球。另一面,始终背对地球。

难道月亮的另一面太丑,不愿示人吗?

同步自转只是表面原因

这个现象,用天文学知识解释起来也简单:因为月球绕地球公转一圈的时间和月球自转一圈的时间大致相同,都是28天左右。

想象一下,绕一棵大树画一个大圆圈,并在这个大圆圈上均匀标出360个刻度。假设你要始终面对这棵大树走一圈,一共用360步走完。而在大圆圈上每走1步,你的身体也会倾斜1度。那么在走完这个大圆圈时,你的身体也同时完成了360度旋转,并回到原位。

也就是说,当用同样的时间完成自转和公转时,你始终是同一面对着大树的。月球也是如此。“在天文学中,这叫做同步自转。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇接受科技日报记者采访时说。

然而,这只是表面原因。

“在月球形成早期,它的自转速度比现在快多了。自转周期只有几个小时,而不是现在的28天左右。”周礼勇介绍,对地球而言,月球也曾是一位“多面伊人”。只是数亿年来,月球自转速度不断变慢,才导致它始终一面对着地球。

那么,到底是谁给月球自转踩了刹车?

最老生常谈的是潮汐力

要解释月球自转变慢,潮汐力是最容易想到的一个因素。

说起潮汐力,很多人会想到地球表面的潮汐现象。没错,潮汐现象的幕后推手就是潮汐力。

地球和月球之间是相互绕转的,且相互施加万有引力。它们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的时候,另一次是月亮在头顶的时候。

周礼勇解释说,这是因为地球正对着月亮的那面,感受到的月球引力较强;背对着月亮的那面,感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是一样的。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,地球上背对月球的那一面,受到的月球引力稍小于离心力,而面对月球的那一面月球引力稍大于离心力,最终的等效结果就是这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,同样也会感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,也就是让月球变扁了。

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,并在月球内部形成一种不断涌动的固体潮。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。这在几十亿年的时间内,可以耗散月球的部分动能。

力矩才是直接刹车机制

不过,中科院国家天文台研究员平劲松的研究发现,潮汐力带来的摩擦耗散可能是有限的。

几年前,平劲松曾和同事发表一项关于月球的研究。他们发现,月核与月幔之间的流体属于超低黏性层,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。

两位接受科技日报记者采访的天文学者都认为,最直接的刹车机制其实是地球与月球之间的力矩作用。

在潮汐作用之下变扁了的月球,依然要在绕着地球公转的同时自转。周礼勇解释说,可以想象月球鼓起来的两侧,就像两只突起来的“耳朵”,两只“耳朵”的连线本应该指着地心方向。但是由于月球要自转,这两只“耳朵”的连线实际上会有一点点偏移,不再指着地心。

这个时候,来自地球的潮汐力会对月球上突起来的两只“耳朵”都产生一个力矩,把两只“耳朵”往回拽,跟月球自转的方向正好相反。拽着拽着,月球的自转速度也就逐渐减慢了。

平劲松用一个简单的小实验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。

月球是个“两面派”

由于以上机制,月球自转逐渐变慢,直到和公转速度一样。最终出现始终一面对着地球的结果,也就是被地球“潮汐锁定”了。

而且更为神奇的是,月球面对和背对地球的一面,有很大不同。这就是所谓的月球“二分性”。

平劲松告诉科技日报记者,月球面对地球的这面陨石坑更大、更密集,玄武岩的分布更多。而背对地球的那一面则有更多高山。

“我们的研究还发现,月球的重心跟它的形状中心之间,相差两公里。也就是月球重心更接近地球,而形状中心更远离地球。”平劲松说。

这可以理解为,月球对着地球的半球更小,却更重。月球背着地球的半球体积更大,但是却更轻。在平劲松看来,月球形状和质量分布的不均,会进一步增强力矩的作用,让月球自转减速更明显。

至于月球的两面为何会出现如此大的差异,天文学界也莫衷一是。

比如,为何月球面对着地球的这一面有更多陨石坑?有人认为,月球面对地球的这面被地球挡住了,按说受到其他天体的撞击更少才对。有人却认为,这是因为地球的引力起到的聚焦作用,反而使月球对着地球的那面承受了更多撞击。

有趣的是,在宇宙中,不仅仅月球只将一面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,不只是行星可以锁定它的卫星,恒星也可以锁定它的行星。只不过,这个过程非常慢,可能在实现潮汐锁定之前,天体系统就消亡了。

平劲松介绍,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。只是,你我在有生之年肯定看不到了。

 
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