嫦娥四號(hào)開始奔月之旅 首次實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器月球背面軟著陸

12月8日2時(shí)23分，嫦娥四號(hào)探測(cè)器搭乘長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，開始了奔月之旅。她肩負(fù)著沉甸甸的使命：首次實(shí)現(xiàn)人類探測(cè)器月球背面軟著陸。

請(qǐng)注意這里的關(guān)鍵詞——月球背面。

曾經(jīng)無(wú)數(shù)次舉頭望明月的你，是否留意過(guò)，我們始終只能看到月亮有玉兔和月桂樹的那一面?沒(méi)錯(cuò)，千百年來(lái)月球始終只有一面對(duì)著地球，另一面始終背對(duì)地球。問(wèn)題來(lái)了，是誰(shuí)把月球變成了雙面伊人?

同步自轉(zhuǎn)只是表面原因

用一句話解釋這個(gè)現(xiàn)象，也很容易：月球繞地球公轉(zhuǎn)一圈和月球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，都是28天左右。想象一下，繞大樹畫個(gè)大圓圈，在大圓圈上均勻標(biāo)出360個(gè)刻度。始終面對(duì)這棵大樹走一圈，用360步走完。在大圓圈上每走1步，身體就傾斜1度。走完時(shí)身體也同時(shí)完成360度旋轉(zhuǎn)，回到原位。也就是說(shuō)，當(dāng)你用同樣的時(shí)間完成自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)時(shí)，你始終會(huì)一面對(duì)著大樹。月球始終一面對(duì)著地球的現(xiàn)象也是如此。在天文學(xué)中，這叫同步自轉(zhuǎn)。

然而，這只是表面原因。“月球形成早期，自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快多了。只有幾個(gè)小時(shí)，而不是現(xiàn)在的28天左右。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者，對(duì)地球而言，月球也曾是“多面伊人”。是數(shù)億年來(lái)，月球自轉(zhuǎn)速度不斷變慢，慢到自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期幾乎一樣，才導(dǎo)致它始終一面對(duì)著地球。

所以，根本原因在于，是誰(shuí)給月球自轉(zhuǎn)踩了剎車?

潮汐力難辭其咎

要解釋月球自轉(zhuǎn)變慢，潮汐力是最容易想到的因素。地球和月球相互繞轉(zhuǎn)，且相互具有萬(wàn)有引力，彼此都會(huì)給對(duì)方施加潮汐力。地球上的潮汐現(xiàn)象，就與月球?qū)Φ厍虻囊τ嘘P(guān)。住在海邊的人，會(huì)發(fā)現(xiàn)海水一天有兩次漲潮和落潮。一次是月亮在地球背面時(shí)，另一次是月亮在頭頂時(shí)。周禮勇解釋說(shuō)，這是因?yàn)榈厍蛘龑?duì)月亮的那面，受到的月球引力更強(qiáng);背對(duì)月亮的那面，受到的月球引力較弱。引力的方向都朝著月球。而地球在繞月球轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)論哪個(gè)點(diǎn)的離心力都一樣。離心力的方向與月球施加于地球的引力方向相反。

如此一來(lái)，地球背對(duì)月球的那面，受到的月球引力稍小于離心力，面對(duì)月球的那面月球引力稍大于離心力，最終兩面都感受到一個(gè)離開地心方向的力。所以地球兩側(cè)的海水就漲起來(lái)了。“月球在繞地球轉(zhuǎn)時(shí)，同樣會(huì)受到地球帶來(lái)的潮汐力。”周禮勇說(shuō)，地球潮汐力的作用，是讓月球正對(duì)和背對(duì)地球的面都鼓起來(lái)，讓月球變扁了。盡管月球上沒(méi)有海水，月殼、月幔和月核卻依然可以感受到潮汐力，并在月球內(nèi)部形成不斷涌動(dòng)的固體潮。這種固體潮導(dǎo)致月球幔層之間不斷摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)樵職?nèi)部的熱能。這在幾十億年時(shí)間內(nèi)，可以耗散月球部分動(dòng)能。

力矩才是直接剎車機(jī)制

不過(guò)，潮汐力帶來(lái)的摩擦耗散可能是有限的。中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松和同事們研究發(fā)現(xiàn)，月核與月幔之間的流體屬于超低粘性層，這意味著潮汐力所引發(fā)的月核與月幔之間的摩擦力很小，不至于耗散月球太多動(dòng)能。“關(guān)鍵在于潮汐作用引起的摩擦作用發(fā)生在月球內(nèi)部，這種過(guò)程只能耗散掉地球、月球這個(gè)系統(tǒng)的總機(jī)械能，而不能直接給月球自轉(zhuǎn)踩剎車。”周禮勇說(shuō)。

兩位天文學(xué)者都認(rèn)為，最直接的剎車機(jī)制是地球與月球之間的力矩作用。力矩是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向。周禮勇解釋說(shuō)，月球在逐漸變扁的過(guò)程中，依然要在繞著地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)。想象在月球內(nèi)部，有一條與地心和月心連線方向一致的長(zhǎng)軸。長(zhǎng)軸在瞬間是指著地心的，但由于月球要自轉(zhuǎn)，下一瞬間這條長(zhǎng)軸就會(huì)偏過(guò)去，不再指著地心。這時(shí)，來(lái)自地球的潮汐力對(duì)月球這個(gè)長(zhǎng)軸的兩端都會(huì)產(chǎn)生力矩。這個(gè)力矩與長(zhǎng)軸偏移過(guò)去的方向相反，也就是跟月球自轉(zhuǎn)方向正好相反。這會(huì)直接改變?cè)虑蜃赞D(zhuǎn)的角動(dòng)量，導(dǎo)致月球自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢。天長(zhǎng)月久，月球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期變得相差無(wú)幾，最終有了我們?cè)诘厍蛏峡床坏降?ldquo;背面”。

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