提問:「我發現月球在繞著地球公轉的時候並不自轉。我們的月球是太陽系唯一不自轉的衛星嗎?」
回答:注意,月球是要自轉的。如果你站在月球上,就像在地球上一樣星星會有起落,只不過月球上的一天等於地球上的一個月,這也是月球的公轉周期。月球自轉的速度恰好和公轉速度一致,所以它總是只有一面朝著地球,這就像一個巨大的巧合,不是嗎?
你的問題非常有趣,因為它的答案是:不,月球並不是唯一的。幾乎所有太陽系的衛星都是保持著一面朝著它們的衛星(我們所知的唯一例外就是土星的衛星,亥伯龍)。表明出現這樣的情況並非巧合,多半是有原因的,或許是一個發生在絕大多數衛星上減緩了自轉的物理過程。
這個物理過程叫做潮汐摩擦。你也許知道,月球的引力對地球上的海洋具有影響。相同的,地球的引力也對月球有影響。它會輕微改變月球的形狀,擠壓月球,使其沿著指向地球方向的一條線被拉長。我們稱地球在月球上引發了「潮汐隆起」。
地球的引力拉扯著距離最近的潮汐隆起,想要使它與對齊地球的方向。當月球轉動的時候,受到地球引力的影響,月球的內部產生了摩擦,月球的自轉隨之減緩直到與公轉周期一致,達到一種我們稱為潮汐同步的狀態。在這種狀態下,月球的潮汐隆起一直指向地球,所以月球總是保持一面朝向地球。
其它的行星也會影響它們相應衛星的潮汐漲落,所以幾乎所有太陽系的衛星都是潮汐同步的。甚至有一個行星與它的衛星是同步的!冥王星的衛星卡戎,因為體型巨大且與冥王星的距離太近,所以它們兩個的自轉頻率是一致的。月球也會減緩地球的自轉,只不過影響非常小,僅僅是每世紀把一天的長度增加幾毫秒。
你或許很疑惑亥伯龍發生了什麼。亥伯龍與土星其它衛星的引力相互作用導致它運動狀態十分不穩定,在達到潮汐同步之前,它的自轉頻率就會被別的衛星改變。也許還有別的小型衛星也是這樣的情況,不過測量遙遠行星的小型衛星的自轉周期非常困難,所以目前還沒有更多的記錄。
相關知識延伸閱讀
空間裡的軌道定向並非是固定的,而是隨時間轉動。軌道進動也被稱為近星點進動,是軌道面內的月球軌道轉動,也是橢圓變化方向的軸。月球的長軸-軌道最長的直徑,分別連接它的最近點和最遠點,近地點和遠地點-使其一次完整的公轉需要8.85個地球年或者3,232.6054天,它緩緩移動如同同向的月球自身一樣(順行)。月球的近星點進動,與月球軌道面的交點進動和自身的軸進動是有區別的。
節點,即月球軌道與黃道相加的點。每隔27.2122天月球會經過相同的節點,此區間被稱為龍月(傳說月節點上住著一條專食太陽或月亮的龍)或交點月。交點線,兩個不相干平面的相交處,存在一個逆行運動:在地球觀察者的視角里,月球以18.60年或者每年19.3549度為一個周期,沿著黃道向西旋轉。當從天球北面觀察時,節點則繞地球做順時針運動,正與地球的自轉和其繞太陽的公轉方向相反。當節點與太陽並排時,月食和日食出現,大概每173.3天一次。月球的軌道傾角也決定著食的產生;節點與滿月和新月重合之時,太陽、地球和月球三度並排之時,正是陰影相交之時。
在天球的北極點(北極星的近似方向)上觀察,月球繞著地球逆時針運行,地球繞著太陽逆時針運行,並且月亮和地球自身根據軸作逆時針旋轉。
使用右手法則可以找到角速度的方向:若右手大拇指指向天球北極點,其他手指自然彎曲的方向則為月球繞地球、地球繞太陽、以及月球和地球的自轉方向。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.astro-Gene6
轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處