這是許多人疑惑的問題。我們每天看到的都是月亮的同一面,所有天體都在自轉,為什么月亮這么“頑固”,就是不轉呢?還有人認為,宇宙中只有月球不自轉,很奇怪。
其實這個問題有兩個誤區:一是月球并不是不自轉,只是轉得有些慢;二是太空中有許多天體和月球一樣的轉法,這種“頑固”并非月球獨有。那么月球是怎么個只轉發呢
月球的轉法叫潮汐鎖定
何謂潮汐鎖定?就是天體之間由于引力作用,會相互影響其自轉。在引力相互作用范圍,兩個天體除了引力影響,還有引潮力的影響。引力和引潮力總體上都是引力作用,但有些區別。引力是指兩個天體整體之間的作用力,引潮力是引力在天體不同位置的作用力不同,形成的某種效應。
萬有引力定律可以用如下公式表述:F=GMm/R^2。這個公式的意思就是引力大小F值,是與引力常量G與作用雙方大小天體質量M和m的乘積成正比的,與M和m之間距離R的平方成反比的。
但這個總的引力值,只是解釋兩個天體之間整體相互作用關系,是計算總體引力值大小的公式。而引力作用到某個天體,在這個天體不同部位力的大小分布是不均勻的。根據引力大小與距離平方成反比的規律,天體表面相互最靠近的地方引力最大,而隨著距離的延長,引力作用就會急速衰減,這就給天體不同部位形成不均勻拉拽力,并且隨著天體自轉,形成擠壓和揉搓力。
這種效應會扭曲天體表面,最明顯可見的就是流體,我們地球形成的海洋潮汐,就主要是地球與太陽、月亮之間引潮力關系導致的。引潮力不只是對流體,其實對剛體如巖石也會造成變形扭曲,只不過由于變形小一些,肉眼很難看出而已。
這種潮汐力長期作用的結果,就會讓天體自轉越來越慢,最終在相互引力作用關系中較小的天體,就會先被潮汐鎖定,也就是有一面一直朝著大天體,看起來不轉了。月球與地球剛形成主衛關系(地球是主星球,月球是地球衛星)時,月球自轉是較快的,可能經過了若干億年的潮汐拉拽之后,漸漸就成了現在的樣子。
實際上,月球也還在自轉
所謂潮汐鎖定,就是公轉與自轉同步了,但并非沒有自轉。月球老是一面向著地球,只是地球上的人們看起來它沒有自轉而已,但如果在遠離地月的太空,看到完整的地月系統,就會發現月球也還在自轉,只是與公轉同步,轉得很慢而已。
月球公轉周期為27.32天,就是圍繞著地球轉一圈需要27.32天??雌饋碓虑蚶鲜且幻嫦蛑厍?,但實際上它在圍繞著地球公轉了一圈的同時,自己也轉了一圈,這就是自轉與公轉同步。如果它在公轉的時候不自轉,那我們在地球上就會看到不同的月亮,就像上圖右邊描述的那樣。
太陽系有許多衛星已經被潮汐鎖定
太陽系有8大行星,其中有4顆類地行星,就是像我們地球這樣,外面有一層巖石圈包裹著,密度和硬度較大,它們是水星、金星、火星和地球。目前水星和金星都沒有發現有衛星,地球有月亮這一顆衛星,火星有火衛一和火衛二兩顆衛星。
除了4顆類地行星,還有4顆叫氣態行星或類木行星。這幾顆行星的特點就是大,質量體積都大,最小的天王星質量都是地球的14.5倍,最大的木星質量是地球的318倍。這些巨行星衛星很多,其中木星有79顆,土星有82顆,天王星有27顆,海王星有14顆。
這些衛星有許多和月球一樣,也被主星潮汐鎖定了。已知大行星衛星中被潮汐鎖定的衛星已經有32顆,其中火星2顆、木星8顆、土星15顆、天王星5顆、海王星2顆。這些被鎖定的衛星,都總是一面朝著自己的主星,一副很忠誠的樣子。但要做到這一點,就必須在公轉一圈的同時,也自轉了一圈,否則就無法一直表示衷心了。
理論上,所有天體最終都將被潮汐鎖定
有人認為,現在水星和金星自轉周期很長,其中水星為58.5個地球日,金星為243個地球日,都與其公轉周期接近,金星甚至大于公轉周期,這里面就有太陽引力鎖定的成分。不過這種說法有爭議,人們認為行星形成現在的自轉公轉速度,和不同的自轉軸傾斜角度,有很復雜的因素,與太陽系形成早期和后來的一些天體事件有關。
但所有的行星自轉都在變慢,這就說明太陽的引力潮汐正在對行星施加影響,讓行星有被潮汐鎖定的趨勢,與此同時,殺人一千自損八百,太陽也被行星引力所拖累,也有被鎖定的趨勢。
有研究表明,我們地球在6億年前,自轉一周只需要22個小時,現在則為24小時。根據這個變化,我們可以計算出自轉周期每年會變慢0.012毫秒。如果按照這種趨勢線性慢下去,10億年后,地球自轉一圈將放慢12000秒,這樣一個晝夜就需要27.33小時了;而到了50億年后,自轉一周會延長60000秒,每個晝夜就有36.67小時了。
而我們太陽系的壽命也只有約50億年了,也就是說到了天荒地老毀滅時,地球也還沒有被太陽潮汐鎖定。因此雖然所有行星、恒星都有被引力潮汐鎖定的趨勢,但在它們有生之年,并不一定就真的會鎖定。
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