嫦娥四号奔月进行时专家详解：月球为啥有个“背面”？

科技日报 2018-12-12 07:57 大字

12月8日2时23分，嫦娥四号探测器搭乘长征三号乙运载火箭，开始了奔月之旅。她肩负着沉甸甸的使命：首次实现人类探测器月球背面软着陆。

请注意这里的关键词——月球背面。

曾经无数次举头望明月的你，是否留意过，我们始终只能看到月亮有玉兔和月桂树的那一面？没错，千百年来月球始终只有一面对着地球，另一面始终背对地球。

问题来了，是谁把月球变成了双面伊人？

同步自转只是表面原因

用一句话解释这个现象，也很容易：月球绕地球公转一圈和月球自转一圈的时间，都是28天左右。

想象一下，绕大树画个大圆圈，在大圆圈上均匀标出360个刻度。始终面对这棵大树走一圈，用360步走完。在大圆圈上每走1步，身体就倾斜1度。走完时身体也同时完成360度旋转，回到原位。

也就是说，当你用同样的时间完成自转和公转时，你始终会一面对着大树。月球始终一面对着地球的现象也是如此。在天文学中，这叫同步自转。

然而，这只是表面原因。

“月球形成早期，自转速度比现在快多了。只有几个小时，而不是现在的28天左右。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者，对地球而言，月球也曾是“多面伊人”。是数亿年来，月球自转速度不断变慢，慢到自转和公转周期几乎一样，才导致它始终一面对着地球。

所以，根本原因在于，是谁给月球自转踩了刹车？

潮汐力难辞其咎

要解释月球自转变慢，潮汐力是最容易想到的因素。

地球和月球相互绕转，且相互具有万有引力，彼此都会给对方施加潮汐力。地球上的潮汐现象，就与月球对地球的引力有关。

住在海边的人，会发现海水一天有两次涨潮和落潮。一次是月亮在地球背面时，另一次是月亮在头顶时。

周礼勇解释说，这是因为地球正对月亮的那面，受到的月球引力更强；背对月亮的那面，受到的月球引力较弱。引力的方向都朝着月球。而地球在绕月球转时，无论哪个点的离心力都一样。离心力的方向与月球施加于地球的引力方向相反。

如此一来，地球背对月球的那面，受到的月球引力稍小于离心力，面对月球的那面月球引力稍大于离心力，最终两面都感受到一个离开地心方向的力。所以地球两侧的海水就涨起来了。

“月球在绕地球转时，同样会受到地球带来的潮汐力。”周礼勇说，地球潮汐力的作用，是让月球正对和背对地球的面都鼓起来，让月球变扁了。

尽管月球上没有海水，月壳、月幔和月核却依然可以感受到潮汐力，并在月球内部形成不断涌动的固体潮。这种固体潮导致月球幔层之间不断摩擦，转变为月壳内部的热能。这在几十亿年时间内，可以耗散月球部分动能。

力矩才是直接刹车机制

不过，潮汐力带来的摩擦耗散可能是有限的。

中科院国家天文台研究员平劲松和同事们研究发现，月核与月幔之间的流体属于超低粘性层，这意味着潮汐力所引发的月核与月幔之间的摩擦力很小，不至于耗散月球太多动能。

“关键在于潮汐作用引起的摩擦作用发生在月球内部，这种过程只能耗散掉地球、月球这个系统的总机械能，而不能直接给月球自转踩刹车。”周礼勇说。

两位天文学者都认为，最直接的刹车机制是地球与月球之间的力矩作用。力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。

周礼勇解释说，月球在逐渐变扁的过程中，依然要在绕着地球公转的同时自转。想象在月球内部，有一条与地心和月心连线方向一致的长轴。长轴在瞬间是指着地心的，但由于月球要自转，下一瞬间这条长轴就会偏过去，不再指着地心。

这时，来自地球的潮汐力对月球这个长轴的两端都会产生力矩。这个力矩与长轴偏移过去的方向相反，也就是跟月球自转方向正好相反。这会直接改变月球自转的角动量，导致月球自转速度逐渐减慢。