如果我们在每次满月的时候仔细观察月亮,都会看到一模一样的月面,月亮也一直用同一个面“看”着我们。
上图是今年中秋节笔者拍摄的满月。
但是月球是一个球体,它自转的同时也绕着地球公转。那么,为什么我们看到的满月都是一样的呢?这种巧合非常罕见吗?月球的另一面是什么样的?
月亮确实自转和公转,但两者的周期惊人地一致。月球自转1度,也会绕地球公转1度,这样月球就可以和地球在同一侧。这种现象在天文学上叫做潮汐锁定,它是由潮汐力引起的。
潮汐锁定
几十亿年前,早期月球的自转角速度比公角快得多。但由于地球引力对月球的潮汐作用,月球赤道两侧被拉伸变形,产生潮汐抬升。月球自转时,潮汐隆起会被地球引力拉回,从而减缓月球自转。
长期来看,月球的自转角速度会降低到与公转角速度同步,从而达到潮汐锁定。潮汐锁定前夕,地球的月球一面自此一直对着地球,另一面在地球上从未见过。
月球的另一边
然而,这种潮汐锁定并不完美。因为平衡的现象,月球会有轻微的摆动,这让我们可以看到超过一半的月球表面,达到59%。然而,月球背面的大部分仍然是未知的。
直到人类进入Tai 空时代,探测器飞到月球背面,我们才第一次目睹了月球背向地球的一面。与月球正面相比,月球背面缺少月海,反而布满环形山。于是,月球一度为地球挡住了许多陨石的撞击。
普遍潮汐锁定现象
它是潮汐锁定中天体间长期引力作用的结果。这种巧合并不少见,但在太阳系里其实很常见。尤其是当行星比卫星大很多的时候,卫星很容易被潮汐锁定。
虽然火星本身不大,但是它的两个卫星都很小,而且一直是潮汐锁定。对于木星和土星等气体巨星来说,它们都有许多卫星被潮汐锁定所占据,例如,木星的四大卫星和土星最大的卫星土卫六。此外,天文学家还观察到一些系外行星被其主星潮汐锁定所困,因为那些系外行星离主星太近了。
潮汐锁定最极端的例子是冥王星和卡戎(冥卫一)系统。卡戎不仅被冥王星潮汐锁定,还被卡戎潮汐锁定。他们总是用同一面面对彼此。事实上,这种相互潮汐锁定也会出现在地月系统中。
地球也会被潮汐锁定。
潮汐是相对的,月球的引力也会减缓地球的自转。几十亿年后,地球自转周期从最初的6小时延长到现在的24小时。再过几百亿年,地球自转周期将进一步延长到47天。届时,月球自转周期和公转周期将延长至47天,地球和月球将相互潮汐锁定。
在当时的地球上,只有一些地方能看到月亮。对于同一个地方的观测者来说,月亮会一直挂在空的某个地方,不会移动。观测者仍能看到月相的变化,但周期将达到47天。
但是,也有可能地球等不到被月球潮汐锁定的那一天。因为太阳将在50亿年后演化成一颗红巨星,其体积在剧烈膨胀后很可能会吞噬地球和月球。