天文学家解惑

国家天文台研究员陈学雷:

从为什么我们看不到月亮背面说起——自转、潮汐和共振

1、平动与转动,公转与自转

摩天轮上的游客属于平动,坐过山车则一般既有平动又有转动,因为你坐摩天轮时头始终是向上的,也就是说方向不变,只是位置绕着轮轴转了一圈;
而坐过山车时,在不同的位置你的朝向也不同,到了顶点你的头是朝下的(也有朝其它方向的)。因此除了平动外也有转动。


2、潮汐作用与自转
地球-月球系统的总角动量守恒,而地球自转角动量逐渐减小,月球公转轨道角动量逐渐增大。


地球在月球上有固体潮,它使月球自转减速到月球自转周期与其绕地球公转周期相等。这样,月球的自转与公转最后会达到同一周期,即所谓潮汐锁定。
3、问题的复杂性——椭圆轨道
乍看上去,我们上面讲述的已经回答了问题,但其实问题还要复杂得多……
地球的引力会作用在月球四极矩上,在其作用下,自转周期会倾向于与驱动力的变化有相同的周期,从而使自转周期恰好等于轨道周期。
4、共振现象及共振俘获
问题其实还没有完。椭圆轨道的公转为自转提供了一个周期性变化的驱动力,在这个力作用下,自转具有与之相同的周期,这可以视为一种共振现象。
为什么我们的月球是处在1:1共振态,而没有被更高阶的共振态俘获呢?对这个问题,Goldreich&Peale(1968) 发展了一套研究的方法……【详细】