潮汐锁定就是在引力的作用下,行星或卫星的自转周期与其自身的公转周期相同,使得行星或卫星永远以同一面对着其围绕公转的星体,就像地球和月亮。
为了更好地理解潮汐锁定出现的原因,我们需要先来了解一下天文潮汐。天文潮汐是因月球和太阳对地球各处引力不同而引起的水位、地壳、大气的周期性升降现象。由于地球是一个球体,而海水并没有牢牢固定在地球上的,是在地球这个巨大的球体的表面依附着流动,同时海水也会受到月球的引力,这样子的话,海水就会往月球指向地球最近的位置流动,同理可得,在月球指向地球中心位置的地球另一端的海水受到的引力最小,所以便会在地球上形成潮汐。
而这样流动的海水会与地球产生摩擦,从而使地球公转逐渐变慢,但目前所引起的公转变慢现场还不明显。这种使地球引起潮汐的力便称为潮汐力。
根据牛顿第二定律,物体间力的作用是相互的,所以月球会对地球引起潮汐现象,那么地球同样也会对月球产生“潮汐”现象,不过由于在月球上没有海水,所以体现的影响是潮汐力导致月球内部的岩石产生摩擦,月球自转的动能在摩擦下不断转变成热能,从而导致月球自转减速,直到月球自转速度减弱到永远只有一面面向地球,此时内部岩石也不再摩擦,即月球自转速度与自身公转速度一致,从而形成了潮汐锁定。
潮汐锁定又被称为同步自转,以行星系统为例,在卫星绕着行星旋转的过程中,由于不断受到潮汐力的作用,卫星的自转速度将会越来越慢,最终卫星的自转周期变得与其绕行星的公转周期相同,这就导致了卫星一直以相同的面朝着行星,而另一面一直背离行星。具体而言,卫星朝向行星一面所受到的行星引力作用强于背离行星的那一面,这种引力差异就是潮汐力,它会对卫星造成拉伸作用,使卫星表面朝向行星隆起。在卫星还没有被潮汐锁定之前,由于卫星的自转速度快于公转,卫星的隆起位置不断在变化,使得它的内部不断产生摩擦作用,导致自转速度逐渐减慢,最终变得与公转速度同步。在潮汐锁定之后,卫星的隆起位置不再变化,一直朝向行星。
例如,月球的自转周期和绕地球的公转周期都为27.32天左右,所以月球已经被地球潮汐锁定,我们在地球上只能看到月球的一半,背离地球的那一面无法在地球上看到。除了月球之外,太阳系中的很多卫星都被它们的行星潮汐锁定,例如,在土星的62颗卫星中,至少有15颗被潮汐锁定。此外,如果两个互相环绕的天体的质量相近,则会导致这两个天体都被各自潮汐锁定。例如,冥王星和卡戎,它们都是以同一个面朝向彼此。由于地球也会受到月球的潮汐力作用,使得地球的自转速度逐渐减慢,在遥远的未来,地球也可能会被月球潮汐锁定,最终变得像冥王星和卡戎那样。
同样的道理,如果行星近距离靠近恒星,则行星也可能会被恒星潮汐锁定。例如,距离地球39.5光年的TRAPPIST-1系统,由于这颗红矮星的七颗行星都十分靠近主恒星(轨道半径全部小于0.06天文单位),导致它们可能都已经被潮汐锁定,一直以相同的面朝向主恒星。
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