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宇宙中的天体不会完全静止,总会存在某种运动。相对于自转轴,地球每隔一天转动一圈。相对于太阳,地球每隔一年绕行一圈。同样地,太阳也会绕轴自转,周期约为25个地球日;同时,太阳还会绕着银河系中心公转,周期约为2.3亿年。
然而,月球的运动显得非同寻常。虽然月球也会绕轴自转,同时绕地球公转,但这两个周期却是分毫不差地保持一致,都为27天7小时43分11.5秒,即27.321661天。那么,为什么月球的自转和公转周期会如此惊人的相同?这只是巧合,还是有不为人知的力量在控制?
对于月球自转和公转同步的现象,我们其实在地球上用肉眼就能观测出来。无论是在地球上的哪个地方,哪个时间,人们所看到的满月都是一模一样的,不信可以随便找几张满月照片看一下。我们只能看到月球的一半,从未看到另一半。
而对于其他天体,在不同时候,可以看到天体的不同侧,例如,通过天文望远镜,我们有时可以看到木星的大红斑,有时又看不到。木星的自转速度很快,绕轴转一周的时间为9.93小时,当我们在同一个晚上观测木星时,可以看到它的表面特征发生了明显的变化。
虽然月球也有自转,但它自转1度的同时,在绕地球运动的轨道上也会转过去1度,这就导致月球朝向地球的那一半还是一样的。无论月球自转了多少度,结果都是如此,所以我们在地球上不可能看到月球背对着我们的那一半。
至于原因,这并不是巧合,也非神秘力量,而是长期引力作用的必然结果。地球对月球施加了引力作用,越靠近地球的月球区域,所受的引力作用越强。这种引力差异产生了潮汐力,导致朝向地球的月球那一侧出现潮汐隆起,同时背离地球的那一侧也会产生潮汐隆起。
由于潮汐隆起的存在,当月球绕轴自转时,隆起部分会被地球引力向着自转的反方向拖拽,导致月球的自转速度不断变慢。久而久之,月球的自转周期不断延长,直到与公转周期相同之时,潮汐摩擦消失,月球达到了潮汐锁定的状态。
同样地,月球的引力也会让地球的自转减速。只不过地球很大,还没有被潮汐锁定。但与数十亿年前相比,地球的自转周期已经有了显著的延长。地球最初的自转周期只有大约4小时;到了1亿年前的恐龙时代,地球自转周期已经延长至21小时;目前,则进一步延长到24小时。
未来,地球的自转周期还会进一步变长,直至100亿年后延长至45天。到了那时,月球的自转和公转周期也会同步延长到这个时间,导致地球和月球都以同一面朝向对方。
在宇宙中,潮汐锁定的现象并不罕见。在太阳系中,包括火星、木星、天王星等行星,都有把自己的多颗卫星潮汐锁定,火卫一、木卫二、土卫六、天卫五、海卫八都已经达到同步自转。
而在太阳系外,天文学家还发现了被主恒星潮汐锁定的行星,例如,4.2光年外的比邻星b,它太过靠近于比邻星,公转一周的时间仅需11.2天,它已经被比邻星潮汐锁定。因此,比邻星b有一侧能够被恒星光照射到,另一侧始终处于黑暗之中。