为什么在地球上只能看到月亮的“半张脸”?-资讯-知识分子

为什么在地球上只能看到月亮的“半张脸”?

2017/03/17
导读
揭开月球同步自转的“神秘”面纱撰文:徐璐媛(东京大学)审校:苟利军(中国科学院国家天文台)编辑:韩琨无数个举

揭开月球同步自转的“神秘”面纱


撰文:徐璐媛(东京大学)

审校:苟利军(中国科学院国家天文台)

编辑:韩琨


无数个举头望明月的夜晚里,许多细心的小伙伴一定有过这样的疑惑——为什么不管什么时候,我看到的月亮上的“景色”都是一样的?


其实,这个问题古人早就发现了,所以古人笔下的月亮才永远都是李白《古朗月行》里的样子:

仙人垂两足,桂树何团团。

白兔捣药成,问言与谁餐?

蟾蜍蚀圆影,大明夜已残。

 

图1. 左图为月球正面暗色阴影区的轮廓,右图为唐代铜镜中对月宫中嫦娥桂树、玉兔蟾蜍的想象。(图片来源:月兔 | Wikiwand Copyright Policy:CC 3.0)

 

那是因为:月球很久以前就已经是一颗同步自转卫星了。


所以,我们在地球上永远只能看到月球的正面。不管是月上柳梢头,还是待月西厢下,我们和古人看到的月亮上的景色几乎可以说是一模一样(不考虑月相变化的情况下),这么一想倒也挺浪漫的。当然,由于月球本身的天平动(由于轨道自转轴、离心率等因素的微小变化引起的月球周期性摆动),实际能看到的总区域会比一半要多一点(约59%)。

 

图2. 时光流转,月亮的脸从来不曾改变(图片来源:前三张 Maps of the Moon,Copyright Policy:CC 3.0,最后一张 Moon-wiki)

 

一、什么是同步自转卫星?


同步自转卫星(synchronous rotation)是指卫星的自转周期和相对于中心行星的公转周期相同,所以不管卫星和行星如何转动,最终的相对效果都是卫星的同一面始终朝向行星。最常见的例子就是月球和地球:月球的自转周期和绕地球运动的公转周期都是27.3天。


图3. 同步自转示意图,卫星的正面始终朝向行星,因而从行星上看去,永远看不到卫星背面。(图片改编自Tidal Locking-wiki)

 

二、为什么会产生同步自转现象?


同步自转也叫潮汐锁定(tidal locking),其本质来源于中央天体对环绕天体的引力作用。以地月系为例,由于实际的月球并不是一个质点,月球表面各点受到的引力大小随距离衰减,正面受到的地球引力会大于背面,这是我们从普(上)通(帝)视角看到的(图4左)。而把视角切回月球上时,实际感受到的潮汐力是地球引力和离心力的合力(注意,离心力是非惯性系下才有的虚拟力,惯性系下是不存在离心力的),潮汐力会把月球在地月连线方向略微拉长(图4右,当然,没有图上这么明显),产生潮汐隆起(tidal bugles)。当然,反过来,月球对地球的引力也同样会在地球产生潮汐隆起。


(图4. 作者绘制)


那么问题来了,一旦月球的公转和自转周期不一致(自转速度大于或者小于公转速度),就意味着潮汐力的方向相对于地月连线始终在变化,产生的净扭矩会减慢或加快月球的自转速度,慢慢把月球“拉回”一个没有净扭矩的稳定状态(图5)。这一过程中卫星的角动量和能量变化,由卫星内部的潮汐耗散,以及卫星与行星的角动量和能量交换完成。一般来说,都是大天体锁定小天体,不过,在两者大小差不多的情况下,也可能会发生相互锁定的现象,典型的例子就是冥王星和冥卫一的双星系统。


(图5. 作者绘制)


也就是说,不管一个天体原本的自转速度和公转速度如何,理论上经过足够长的时间,两者一定可以慢慢达到一致。此后,即使同步自转又因为某种原因(受到陨石撞击等等)被暂时性地打破,也能较快地恢复同步自转。


(图6. 作者绘制)


三、同步自转的影响


当一个天体进入同步自转状态之后,一切都不再变化了——正面永远是正面,背面永远是背面。同样地,前导半球(leading hemisphere)和后随半球(trailing hemisphere)的经度范围也不再变化了。

 

图7. 前导半球和后随半球示意图(图片改编自Tidal Locking-wiki)

 

当卫星上的每个点与行星的相对位置不再发生变化,卫星会逐渐产生独特的内部结构和地质、地貌特征。


1)前导半球和后随半球:假设陨石的撞击是空间范围内均匀来自各个方向的,那么相对于前导半球的速度会大于后随半球,由此产生的结果是前导半球受到的陨石撞击系统性地多于后随半球,这种撞击坑密度的不对称性,是同步自转卫星的特征之一,可以通过对这些撞击坑的统计研究,反推太阳系过去的撞击坑情况和星体的轨道状态。


2)正面和背面:发生在同步自转形成之后的天体内部演化也会相应产生一些“不对称性”,如月球正面多月海而背面多高地、正面月壳比背面薄等等,这些不对称性的具体成因至今还没有定论。如果是行星被恒星锁定了的话,正面由于始终面向恒星,温度还会显著高于背面,这对生命的发展可谓颇不友好。

同时,由于行星的遮挡,卫星正面在一定程度上会受到行星的“保护”,理论上,其正面受到的陨石撞击、太阳风等等作用都会少于背面,不过这种“保护”至少对于月球是相当有限的,毕竟……


你以为的地球和月球是这样的(图8)

(图8. 作者绘制)


可实际的地球和月球是这样的(图9):

(图9. 作者绘制)


地球表示:太远了,爱莫能助啊……同样,觉得月球能帮地球挡很多陨石撞击的亲们,你们也想多了~


3)前面我们还说到,同步自转可能会被后来的撞击事件暂时性地打破,这种情况不仅理论上完全可能,实际观测中,人们也发现了一些“蛛丝马迹”。


举个例(脑)子(洞):理论上来说,前导半球受到的陨石撞击要多于后随半球,可是月球较古老的撞击盆地却更多位于后随半球,Wieczorek and Feuvre(2009)通过统计检验认为这一分布仅仅出于偶然的概率小于2%,也就是说,月球的同步自转在很久以前可能曾经被大撞击打破,然后在恢复同步自转的过程中,前导半球和后随半球的位置调换了(旋转了180°),他们还认为,产生史密斯盆地的撞击事件即满足引起这次180°旋转的时间和撞击强度要求。

 

四、还有哪些天体也在同步自转?


通过上面的文字我们已经知道,只要天体间的相互作用足够强,最终都会达到同步自转。同步自转不仅一点都不神秘,而且可以说是天体轨道步入稳定的一种“常态”。 事实上,太阳系内大多数体积较大的卫星,目前都是处于同步自转状态的,比如图10中列举了太阳系中已经达到同步自转的卫星。


图10. 太阳系同步自转卫星举例(图片改编自Galilean moons | Wikiwand,Copyright Policy:public domain)


而太阳系外,由于距离和观测水平的限制,目前只有距太阳系51光年的牧夫座τ(Tau Boötis)和它的行星τ Boötis b组成的系统中确认有同步自转存在:Walker et al. (2008) 通过MOST探测卫星(Microvariability and Oscillations of STars)在2004年、2005年的光度观测结果,确认母星τ Boötis A上有一块活跃区域的位置与行星Tau Boötis b的轨道运动同步,这表明母星τ Boötis A已被行星τ Boötis b锁定,而且很可能是相互锁定。


图11. 牧夫座τ的位置(图片改编自Tau Boötis | Wikiwand,Copyright Policy:CC 3.0)

那么,下一个问题来了:脱离剂量谈毒性都是耍流氓——所以“理论上经过足够长的时间”到底是多长?


以卫星绕行星转动为例,在假设圆轨道(离心率小)、自转轴垂直于轨道平面,只受行星的引力作用的理想状态下,某卫星到达潮汐锁定状态需要经历的时间量级,可以通过卫星绕行星运动的轨道半长轴、行星的质量、卫星的质量、半径、初始转速等参数估算出,其中与卫星绕行星运动的轨道半长轴关系最大(Pale, 1977)。也就是说,对同一颗行星来说,卫星离得越远,达到潮汐锁定所需要的时间就越长,而且是几何级数上升,这就可以解决很多疑惑了。


1)月球什么时候被地球锁定的?


火卫一、火卫二这类与母星离得近的卫星,几年到几百年内就可以达到同步自转(在它们的漫长演化历史中几乎可以说是瞬间达到了同步),月球和大部分太阳系内目前已被潮汐锁定的卫星也都在10^5-10^7年的量级上完成了锁定(Pale, 1977; Horedt and Neukum, 1984)——也就是说,相对于太阳系内行星形成年龄的40多亿年(10^9年),这些卫星在太阳系历史中很早的阶段,就已经进入同步自转状态了。

2)为什么地球和其他行星没有被太阳潮汐锁定呢?我们会看到那一天么?


行星绕恒星运动也可同理计算,水星大约在10^7-10^8年量级达到锁定,而太阳系内其他几个行星(不考虑逆行自身轨道公转方向与自转方向相反的金星和天王星)要达到同步自转需要的时间尺度在10^10-10^18年量级。所以,这些行星还没有被锁定仅仅是因为时候未到。再过几百亿年,地球也会达到同步自转的(如果那时太阳系还存在的话),只是以人类活动的时间尺度来看,还是不要抱什么希望比较好……在那之前,地球和其他这类行星的自转会慢慢减速,一天会越来越长,当然,这个“慢慢”真的就是非常非常慢了,我们是感觉不到的。


等等,按照以上说法,水星不是应该已经到达同步自转了么?如前所述,估算的前提是非常理想的轨道状况,而实际上,由于星体原本的轨道离心率、自转轴倾角以及其他星体引力的影响,并不是每个符合时间尺度的星体都会顺利到达同步自转状态。水星正是由于其大偏心率的轨道的影响,并没有达到同步自转(自转周期和公转周期1:1),而是以3:2的自转共振(每绕太阳公转两圈时自转三圈)达到了一种稳定状态。

 

3)为什么有些星体我们明明还没有实际观测到它们的自转周期数据,也知道它们应该已经被锁定了呢?


还记得前不久NASA大新闻中那个一口气带了七颗行星的TRAPPIST-1系统么?目前认为,这七颗行星都已经被母星锁定或者达到自转共振了(Gillon et al., 2017)。而去年欧南台发现的类地行星比邻星b(Proxima Centauri b)也被认为很可能已经被母星比邻星(Proxima Centauri,距太阳只有4.25光年之近)锁定(Anglada-Escudéet al., 2016)。


是我们已经观测到它们的自转周期了么?并没有。事实上,目前能勉强估算出它们的质量和尺寸都已经很难得了。但TRAPPIST的七颗行星中最远的一颗TRAPPIST-1h离母星的距离只有0.063AU,相当于只有水星到太阳距离的1/6,而比邻星b距离母星的距离只有水星到太阳距离的1/8,离得这么近,理论上当然是已被锁定了的。


图12. TRAPPIST-1和它的七颗卫星。(图片来源:NASA:TRAPPIST-1 Planet Lineup)

 

总结


·       同步自转一点都不神秘,这是一定条件下天体间引力作用的必然结果,不仅是太阳系中,也是全宇宙中普遍存在的现象。

·       同步自转会在天体表面和内部会留下一些特别的“痕迹”,这些“痕迹”还能帮助我们追溯该天体曾经的地质历史。

·       太阳系中目前已经被锁定的卫星,大多在太阳系历史的早期就已经被锁定了。

·       目前还没被锁定的天体主要是因为离母星太远,以至于它们到达同步自转所需要的时间太久。

 

彩蛋:月球背面长啥样?


受限于观测手段,人们到上个世纪都还完全不知道月球背面是什么样子。月球背面是不是有另一个世界?那里有生命居住么?是外星人的基地么?种种这些猜想,一度成为各种童话故事和科幻小说的创意源泉。直到探测器时代来临,1959年10月7日,前苏联的月球3号(Luna 3)才传回了第一张月球背面的影像(图13)


目前最清晰的全月影像来自2009年美国发射的月球勘测轨道器(Lunar Reconnaissance Orbiter,缩写为LRO),分辨率优于1米,连阿波罗登月时期留下的月球车都能清晰辨认,那些月球上有外星人和外星基地的谣言也就不攻自破了。


图13. 左图为纪念前苏联拍到月球背面的第一张影像发行的邮票;右图为当时传回的第一张月球背面影像,左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海,下方为南海,右上为莫斯科海。(图片来源:Far side of the Moon-wiki)


我们这才发现,原来月球的背面和正面如此不同:背面没有那么多暗色的月海,而是撞击坑遍布的高地,南极附近还有一个巨大的撞击盆地(艾肯盆地,太阳系内已知的最大的撞击盆地之一,也是我国嫦娥4号的备选着陆点之一)。


图14. LRO搭载的宽角相机(wide-angle camera,缩写为WAC)获取的全月影像(图片改编自Moon - wiki)

参考文献

1. Peale, S. J. (1977). Rotation histories of the natural satellites. In Planetary Satellites, (J. A. Burns, Ed.), pp. 87–112. Univ. Arizona Press, Tuscon.

2. Dickey, J. O., and 11 colleagues. (1994). Lunar laserranging: A continuing legacy of the Apollo program. Science 265, 482–490.

3. Horedt, G. P., and Neukum, G. (1984). Cratering rate over the surface of a synchronous satellite. Icarus, 60(3), 710-717.

4. Gladman, B., Quinn, D. D., Nicholson, P., et al. (1996).Synchronous locking of tidally evolving satellites. Icarus, 122(1), 166-192.

5. Walker, G. A., Croll, B., Matthews, J. M., Kuschnig, R., Huber, D.,Weiss, W. W., and Sasselov, D. (2008). MOST detects variability on tau Bootis Apossibly induced by its planetary companion. Astronomy & Astrophysics,482(2), 691-697.

6. Gillon, M., Triaud, A. H., Demory, B. O., et al. (2017).Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf starTRAPPIST-1. Nature, 542(7642), 456-460.

7. Anglada-Escudé, G., Amado, P. J., Barnes, et al. (2016).A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri.Nature, 536(7617), 437-440.

8. Wieczorek, M. A., and Le Feuvre, M. (2009). Did a largeimpact reorient the Moon?. Icarus, 200(2), 358-366.

参与讨论
0 条评论
评论
暂无评论内容
订阅Newsletter

我们会定期将电子期刊发送到您的邮箱

GO