什麼是潮汐鎖定?我們在地球上為什麼看不到月球的背面?

2021-01-15 天文在線

什麼是潮汐鎖定?

在讀這篇文章之前,你可能從未聽說過潮汐鎖定,或許會好奇它到底是什麼?它是怎樣一種現象,以及它究竟意味著什麼?

潮汐鎖定是指當空間中的某個物體繞著另一個物體旋轉,該物體的年和日在時間長度上相等。這意味著這個物體自轉一周的同時繞著另一個空間中的特定物體旋轉一周。由於有著相等的年和日,另一個特定物體總是看到該物體的同一面,或者說這個物體被旋轉環繞。

想想地球和月球。我們總是看到月球的同一面,從未從地球上瞥見它的另一面。這是因為月球被地球潮汐鎖定。月球每28天繞地球旋轉一周,而月球每28天自轉一周。

潮汐鎖定對於雙方都有作用,在之前的例子中可知月球和地球對彼此產生作用力,這種作用力總在彼此相對的那側更強,也就是說這種作用力在月球和地球相對的那側更強。這種作用力導致物體之間產生拉伸和扭曲,地球上的潮汐現象也正是這樣產生的。

月球在作用力的拉伸下速度減慢,這種減速最終導致月球的軌道和它的旋轉相匹配。其他星球也有自己的潮汐鎖定衛星,比如:冥王星的衛星——卡戎(冥衛一),被它的主星(冥王星)潮汐鎖定。然而,冥王星和卡戎是一個特別的例子,因為它們被彼此潮汐鎖定。這意味著冥王星永遠對卡戎展現同一側,卡戎永遠對冥王星展現同一側。就等同地球總是向月球展現同一側,月球總是向地球上的我們展現同一側。

潮汐鎖定確實會影響我們行星的運動,因為潮汐鎖定減慢了我們行星的旋轉速度。這意味著數百萬年後地球和月亮可能就像冥王星和卡戎那樣,我們只能看見月球的一側,月球只能看見地球的固定一側。

潮汐鎖定並不僅僅只存在於衛星和行星之間,它也可以發生在太空中的其他天體之間!天文學家常說的雙星,或是中心有兩顆恆星的恆星系統,大多數都可能對彼此潮汐鎖定。加拿大的一架望遠鏡可能也證實了一顆恆星和附近的行星潮汐鎖定。因此,不僅是行星和它們的衛星之間可以潮汐鎖定。

現在,每當有人問你潮汐鎖定是什麼,你就該知道怎麼告訴他們了:當一個物體在太空中以相同的方式圍繞另一個物體運行時,它的自轉和公轉的時間長度相同。

潮汐鎖定(也被稱為重力鎖定或者捕捉旋轉)發生,當一對共同旋轉的宇宙星體長期互相作用驅動它們中至少一個的旋轉率進入這樣一種狀態,這個物體(例如:一個行星)不再有角動量的純轉化,並且它繞著另一個物體旋轉(例如:一個恆星),而這種沒有純轉化的狀態一定會在一個物體繞另一個物體旋轉的進程中被滿足。這不意味著這種旋轉和旋轉率在某個軌道上一直是恰好同步的,因為在軌道的進程中可能會有一些滯後和超前轉化。這種作用是由共同旋轉物體之間的重力梯度(潮汐力)引起的,在相當長的時間裡一直作用著。

因為月球是1:1的潮汐鎖定,所以從地球只能看見月球正面的一側。

在軌道偏心率和傾斜因數接近零的特殊情況下,潮汐鎖定導致一個相關物體的半球一直面對它的同伴,這種作用被稱為同步旋轉。例如,月球的同一面一直面對地球,雖然由於月球的軌道並不是正圓而存在一些偏差。一個處於同步旋轉狀態的潮汐鎖定物體自轉時間和公轉時間相同。

通常,只有衛星被更大型的物體潮汐鎖定。但是,如果兩個物體的質量差和距離差都相對較小,它們可能潮汐鎖定彼此,這就是冥王星和卡戎的情況。

如果自轉的頻率大於軌道 (公轉)頻率,抵制的小扭矩將會浮現,最終達成頻率鎖定(綠色描述的情況)。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. spacedictionary

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