潮汐锁定

时间: 2024-04-08 08:33:51

潮汐锁定，天体术语，（或同步自转、受俘自转）发生在重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体；例如，月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。这种同步自转导致一个半球固定不变的朝向伙伴。

这种潮汐锁定实际上在太阳系的天体里面是比较多的，比方说，太阳和水星之间，行星和卫星之间，太阳系外的其他的恒星和行星之间，都会有这样的潮汐锁定现象。

潮汐锁定在同一个观测点看到的图像是一样的，不受公转运行位置的影响，但不同的观测点看到的图像不一样的。

通常，在给定的任何时间里，只有卫星会被所环绕的更大天体潮汐锁定，但是如果两个天体的物理性质和质量的差异都不大时，各自都会被对方潮汐锁定，这种情况就像冥王星与卡戎。这种效应被使用在一些人造卫星的稳定上。

我们在地球上为什么看不到月球的背面？是因为地球跟月球之间实现了潮汐锁定，这就像我跟你之间有一个吸引力，但是我前胸受到的吸引力跟后背受到的吸引力是不一样的，就会导致每天像是有人在牵扯我，慢慢会让我的自转和公转同步，所以在地球上，我们始终只能看得到月球的正面，看不到月球的背面。

但是，这种潮汐锁定实际上在太阳系的天体里面是比较多的，比方说，行星和卫星之间，太阳系外的其他的恒星和行星之间，都会有这样的潮汐锁定现象。月亮的引力会引起地球上每天两次涨潮，两次退潮，我们称之为潮汐。不仅地球上的海洋会有潮汐，其实地球上岩石圈每天也会起伏60厘米，这叫固体的潮汐。

在自转率的改变上，大的天体A将天体B潮汐锁定，需要A的引力在B的隆起的诱导下造成扭矩。

潮汐隆起

A的引力对B造成潮汐力使得B的引力平衡受到扭曲，形状在朝向A的轴线方向上变得细长；相反的，在垂直A轴向的维度上略有减少。这种扭曲现象被称为潮汐隆起。当B未被潮汐锁定时，这个隆起会在表面旅行，两个高潮之一会在靠近A在正上方的一个点。对大型的天体而言，由于本身的重力，形状位接近球体，潮汐的扭曲会造成轻微的扁球体，也就是说一个沿着主轴方向轴对称的椭球体。较小的天体也会经历这种扭曲，但这些扭曲是不规则的。

隆起拖曳

物体B对潮汐力引起的周期性的重塑会施全力 (Exertion) 的抵抗。事实上，有时候B需要一些时间来重塑重力的平衡，但在这段时间，A-B的轴向因为B的旋转已经改变，所以形成的隆起会与A-B轴向有一段距离。从太空中的瞭望点来看，隆起最高点的方向与指向A的方向已经有了偏差。如果B的自转周期短于它的轨道周期，这个隆起将超前于A-B轴的指向；反过来如果B的自转周期较长，取而代之的是隆起将落后。

结果的扭矩

由于隆起偏离了A-B轴指向的方向，A的引力将拉住这些质量而对B施加了扭矩。在面对A的隆起扭矩的作用在使B的自转符合轨道周期，但在"背面"的隆起是远离A的，因此起了相反的作用(维持自转的周期)。不过，朝向A这一侧的隆起比背面的隆起更靠近A大约相当于B的直径，所以会经历较强的引力和扭矩。来自这两个隆起扭矩的净效应，是永远朝向B的自转周期与轨道周期同步，也就是结果终将是潮汐锁定。

轨道变化

A-B系统的总角动量在这个过程中是守恒的，所以当B减慢速度和失去角动量时，轨道的角动量会提升相似的量 (其中也有一些对A的自转造成较小的影响)。这样的结果是导致B在减缓自转速度时，相对于A的轨道会提升。而另一种情况，当B的自转速度太慢时，潮汐锁定的作用会使它的自转加速，同时使B的轨道降低。

大天体的锁定

潮汐锁定的效应也会发生在大天体A上，只是因为B的体积较小，引力作用也较微弱，所以需要更长的时间才能将A潮汐锁定。例如，地球的自转就因为月球而逐渐减缓，从一些化石在地质时间上的推宜可以察觉其总量。对于大小相似的天体，这种效应在同等级规模的天体上，或许会两者同时被潮汐锁定。矮行星冥王星和它的卫星卡戎就是最好的例子 — 只有从冥王星的一个半球可以看见卡戎，反之亦然。

自转轨道共振

最后，在轨道离心率较高的情况下，潮汐力是相对较弱的，较小的天体最终可能会产生轨道共振而不是潮汐锁定。在这种情况下，轨道周期和自转周期的比率是一些明确的分数，像是1:1。一个著名的例子是水星的自转-锁定到与公转太阳周期为3:2的共振。

卫星

在太阳系中许多值得注意的卫星最值得注意的就是潮汐锁定，因为它们的轨道非常接近而使潮汐力因为距离的减少而迅速增加 (与距离的三次方成反比)。值得注意的例外是气体巨行星外围的不规则卫星，距离比那些知名的大卫星远了许多。

冥王星和卡戎是潮汐锁定的一个极端例子。与主星相比，卡戎是一颗相对较大的卫星，轨道也非常靠近，使得冥王星也被卡戎潮汐锁定。实际上，这两颗天体彼此相互环绕着 (质心位于冥王星外)，好像是以一根竿子固定着表面的一个点而相对着。

小行星卫星是否潮汐锁定，大部分的情况仍属未知，但预期轨道紧密的密接小行星联星会如同密接联星一样是潮汐锁定的。

地球的月球

月球的自转和公转周期都大约是4星期，因此无论何时从地球观察月球，都能看见同一面的半球。直到1959年，从前苏联的太空船月球3号传送回来的照片，才完整的看见月球背面。

尽管月球的自转和公转完全被锁定，但是由于天秤动和视差，从地球重复的观测，仍可以看见月球总表面的大约59%。视差主要的成因是月球轨道的离心率造成的轨道速度变化：使地球的观测者在周场上可以多观测到约6°。天秤动是几何学的效果：是在地球表面上相对于地月中心联线的偏移量，而因为这个关系，使月球在我们的地平线时，可以多观察到月球表面的一点边缘 (大约1°)。

行星

直到1959年才由雷达的观测，否定水星是被太阳潮汐锁定的。取而代之的是3:2的轨道共振，每自转3周时公转太阳2周，而水星的离心率使这种共振得以稳定。天文学家原本认为它是被潮汐锁定的，因为每次适合观测水星时，它都因为3:2的共振，以同一面朝向地球的观测者，出现它似乎被潮汐锁定的景象。

金星的每583.92天与地球会合一次，几乎是金星自转的5个太阳日 (精确的说是5.001444金星日)，使得每次接近地球时都是相同的表面。这是偶然的关系还是与地球的某种潮汐关系，仍不得而知。

恒星

整个宇宙的密接联星都被认为是潮汐锁定的，已经被发现轨道极为靠近主星的系外行星也被认为是潮汐锁定的。一个寻常的例子，MOST已经证实右摄提二 (牧夫座τ) 的一颗行星是潮汐锁定的。几乎可以肯定潮汐锁定是相互的。