这是许多人疑惑的问题。我们每天看到的都是月亮的同一面,所有天体都在自转,为什么月亮这么“顽固”,就是不转呢?
其实这个问题有两个误区:一是月球并不是不自转,只是转得有些慢;二是太空中有许多天体和月球一样的转法,这种“顽固”并非月球独有。
月球的转法叫潮汐锁定
何谓潮汐锁定?就是天体之间由于引力作用,会相互影响其自转。在引力相互作用范围,两个天体除了引力影响,还有引潮力的影响。引力和引潮力总体上都是引力作用,但有些区别。引力是指两个天体整体之间的作用力,引潮力是引力在天体不同位置的作用力不同,形成的某种效应。
万有引力定律可以用如下公式表述:F=GMm/R^2。这个公式的意思就是引力大小F值,是与引力常量G与作用双方大小天体质量M和m的乘积成正比的,与M和m之间距离R的平方成反比的。
但这个总的引力值,只是解释两个天体之间整体相互作用关系,是计算总体引力值大小的公式。而引力作用到某个天体,在这个天体不同部位力的大小分布是不均匀的。根据引力大小与距离平方成反比的规律,天体表面相互最靠近的地方引力最大,而随着距离的延长,引力作用就会急速衰减,这就给天体不同部位形成不均匀拉拽力,并且随着天体自转,形成挤压和揉搓力。
这种效应会扭曲天体表面,最明显可见的就是流体,我们地球形成的海洋潮汐,就主要是地球与太阳、月亮之间引潮力关系导致的。引潮力不只是对流体,其实对刚体如岩石也会造成变形扭曲,只不过由于变形小一些,肉眼很难看出而已。
这种潮汐力长期作用的结果,就会让天体自转越来越慢,最终在相互引力作用关系中较小的天体,就会先被潮汐锁定,也就是有一面一直朝着大天体,看起来不转了。月球与地球刚形成主卫关系(地球是主星球,月球是地球卫星)时,月球自转是较快的,可能经过了若干亿年的潮汐拉拽之后,渐渐就成了现在的样子。
实际上,月球也还在自转
所谓潮汐锁定,就是公转与自转同步了,但并非没有自转。月球老是一面向着地球,只是地球上的人们看起来它没有自转而已,但如果在远离地月的太空,看到完整的地月系统,就会发现月球也还在自转,只是与公转同步,转得很慢而已。
月球公转周期为27.32天,就是围绕着地球转一圈需要27.32天。看起来月球老是一面向着地球,但实际上它在围绕着地球公转了一圈的同时,自己也转了一圈,这就是自转与公转同步。如果它在公转的时候不自转,那我们在地球上就会看到不同的月亮,就像上图右边描述的那样。
太阳系有许多卫星已经被潮汐锁定
太阳系有8大行星,其中有4颗类地行星,就是像我们地球这样,外面有一层岩石圈包裹着,密度和硬度较大,它们是水星、金星、火星和地球。目前水星和金星都没有发现有卫星,地球有月亮这一颗卫星,火星有火卫一和火卫二两颗卫星。
除了4颗类地行星,还有4颗叫气态行星或类木行星。这几颗行星的特点就是大,质量体积都大,最小的天王星质量都是地球的14.5倍,最大的木星质量是地球的318倍。这些巨行星卫星很多,其中木星有79颗,土星有82颗,天王星有27颗,海王星有14颗。
这些卫星有许多和月球一样,也被主星潮汐锁定了。已知大行星卫星中被潮汐锁定的卫星已经有32颗,其中火星2颗、木星8颗、土星15颗、天王星5颗、海王星2颗。这些被锁定的卫星,都总是一面朝着自己的主星,一副很忠诚的样子。但要做到这一点,就必须在公转一圈的同时,也自转了一圈,否则就无法一直表示衷心了。
理论上,所有天体最终都将被潮汐锁定
有人认为,现在水星和金星自转周期很长,其中水星为58.5个地球日,金星为243个地球日,都与其公转周期接近,金星甚至大于公转周期,这里面就有太阳引力锁定的成分。不过这种说法有争议,人们认为行星形成现在的自转公转速度,和不同的自转轴倾斜角度,有很复杂的因素,与太阳系形成早期和后来的一些天体事件有关。
但所有的行星自转都在变慢,这就说明太阳的引力潮汐正在对行星施加影响,让行星有被潮汐锁定的趋势,与此同时,杀人一千自损八百,太阳也被行星引力所拖累,也有被锁定的趋势。
有研究表明,我们地球在6亿年前,自转一周只需要22个小时,现在则为24小时。根据这个变化,我们可以计算出自转周期每年会变慢0.012毫秒。如果按照这种趋势线性慢下去,10亿年后,地球自转一圈将放慢12000秒,这样一个昼夜就需要27.33小时了;而到了50亿年后,自转一周会延长60000秒,每个昼夜就有36.67小时了。
而我们太阳系的寿命也只有约50亿年了,也就是说到了天荒地老毁灭时,地球也还没有被太阳潮汐锁定。因此虽然所有行星、恒星都有被引力潮汐锁定的趋势,但在它们有生之年,并不一定就真的会锁定。
就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。