每 24 小时,地球表面就会沐浴在黑暗和阳光中,因为地球完成了一天。当地球绕其轴稳定旋转时,日出和日落就像发条一样发生。但是地球的卫星月球呢——它也自转吗?
答案是肯定的,月球自转,但它的速度比地球慢得多。据美国宇航局称,一个“月球日”大约是 29.53 个地球日。换句话说,地球每 24 小时完成一次自转,而月球大约每 709 小时经历一次日出。
与许多天体一样,月球的自转运动可能是其创造的残余。据美国宇航局称,一种称为巨型撞击假说的理论提出,大约 45 亿年前,一个大约与火星大小相当的天体撞击了仍在发展中的地球。这个理论上的物体被称为 Theia,Theia 撞击产生的热量可能通过融化地壳并导致地球将旋转的汽化粒子喷射到太空中而产生了岩浆海洋。
根据巨型撞击假说,这些尘埃和气体云正在因最初碰撞的力量而旋转。最终,这些旋转的粒子聚集在一起,因为质量吸引质量,并且随着气体冷凝,它实际上开始旋转得更快。考虑一个花样滑冰运动员,当他们在冰上旋转时,他的手臂会缩进。滑冰者的质量越靠近中间越紧凑,因此滑冰者加速。这是因为它们的角动量是守恒的——旋转物体所需的旋转力或转动惯量与角速度的乘积。换句话说,旋转远离重心的物体需要更多的力。所以,如果花样滑冰运动员的手臂向外,他们的旋转速度会变慢,而当他们通过收起手臂来改变时,他们的旋转速度会更快。
自数十亿年前的原始碰撞以来,月球一直保持着它的角动量。美国宇航局戈达德的月球地质学家丹尼尔莫里亚蒂说:“两个旋转的物体相互撞击,物理定律告诉我们,由此产生的巨大尘埃云会保持旋转。最终,旋转的尘埃云凝结形成旋转的月亮。”太空飞行中心和马里兰大学。
与地球不同,月球没有大气层,因此没有空气阻力来减缓移动物体的速度;因此,一旦物体旋转,它们就会保持旋转。当然,关于地球如何获得月球还有其他理论。一种是捕获理论,其中月球是一个像小行星一样的游荡天体,被地球引力捕获。根据美国国家航空航天局的说法,在这个理论中,月球是在太阳系的其他地方创造的,然后在它经过时开始绕地球运行,根据美国宇航局的说法,所以当它被拉入地球的引力场时,它已经有了自己的自转。
另一种理论是共同形成理论,其中月球与地球同时产生。在这个假设中,两个火星大小五倍的巨大物体相互碰撞。据美国宇航局报道,地球和月球随后从碰撞产生的物质云中凝结。
然而,是地球决定了月球的自转速度。月球在大约 27 天内完成一圈公转——几乎与月球绕地球运行所需的时间相同:27.32 天。结果,地球上的人只能看到月球的一侧。如果月球日更长或更短,当月球绕地球运行时,我们将能够看到整个月球表面。
事实上,轨道和自转并不完全匹配,因为地球实际上是在类似椭圆形的椭圆轨道上运行。根据 LiveScience 的姊妹网站 Space.com 的说法,当月球处于最接近地球的轨道点时,它的自转速度比其轨道慢,这使我们可以看到通常会看到的额外 8 度的月球表面。
从我们的角度来看,月球不旋转的错觉是由潮汐锁定或同步旋转引起的,在这种同步旋转中,锁定的物体围绕其伙伴公转的时间与由于其伙伴的重力而绕其轴旋转一次所需的时间一样长。(其他行星的卫星也有同样的效果。)此外,月球不是一个完美的圆;它是不平衡的。“月球不是对称的,”莫里亚蒂告诉 Live Science。“[月球面向地球和背离地球的]半球之间的质量和密度存在差异。差异如此之大,以至于月球的一侧[它的长边]由于重力而“卡住”面向地球。”
“因此,当月球绕地球运行时,它会旋转以保持面向我们的同一侧,”莫里亚蒂说。“一次自转所需的时间与一个轨道相同,换句话说,大约一个月。” 换句话说,地球和月球相互施加引力,而施加的引力总是在两个物体直接面对面的地方最强,导致地球和月球在被拉入时都会略微拉伸对方的方向。结果,月亮被拉伸成椭圆形,其最长的轴被拉动以始终面向我们。这也是导致地球潮汐每天进进出出的原因。
实际上,月球自转可能非常缓慢,但它的自转对于地球上的潮汐等重要事件至关重要。
潮汐锁定也会影响行星和卫星的运动方式。这意味着当这些天体首次形成时,地球和月球上的日子要短得多,因为地球和月球的自转速度都比现在快得多。一个研究人员的模型在哈佛和SETI研究所甚至预测,早期地球在其与忒伊亚碰撞时过一天短2.5小时。然而,由于地心引力不断地牵引着月球最长的轴面向地球,地球和月球的昼夜时间随着时间的推移而延长。