同步自转

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同步自转的示意图

同步自转(synchronous rotation)是天文学行星科学中的一个名词,用于描述一个天体绕著另一个天体公转的状态,当自转的周期和公转的周期一样长时,这个天体在公转的轨道上会始终以同一个半球朝向公转的天体。

月球是绕著地球公转的同步自转卫星。事实上,在太阳系内许多主要的天然卫星都是因为潮汐锁定而成为同步自转的卫星。如冥王星冥卫一

同步自转是由两个因素的叠加造成的,一个是引力分布的不均匀,另一个是由天体公转的惯性离心力分布的不均匀。公转天体远离中心天体的外侧受到中心天体的引力较小,而在内侧则受到中心天体较大的引力;当一个天体绕另一个天体公转时,天体上每一点相对于中心天体都具有相同的公转角速度,这个角速度是天体的质量中心公转的角速度,在角速度相等的情况下,半径越大,惯性离心力也越大,半径越小,惯性离心力也越小,因此公转天体的外侧受到较大的惯性离心力,而内侧则受到较小的惯性离心力。公转天体外侧的小引力和大离心力都使天体的这一部分产生远离中心天体的倾向,而内侧的大引力和小离心力则使天体的这一部分产生落向中心天体的倾向。这内外两侧两种倾向都使天体趋于保持同一个相对于中心天体的姿态,特别是当天体为不均匀时,这就造成了同步自转。当公转天体的半径相对于与中心天体的距离很小时,例如地球与太阳为万分之一数量级,引力的作用大约是惯性离心力作用的二倍。让地球卫星的质量分布为指向地球的长形可以增强卫星一面朝向地球(同步自转)的稳定性。

其实同步自转也会发生在恒星与行星之间,就如同行星与卫星之间,因为潮汐锁定的作用而产生的,月球与地球之间也会有潮汐锁定的作用,所以每世纪地球会慢约 1.6 毫秒,如果地球与月球存在的时间够久,地球一天等于月球公转一圈时(约55天),地球就不会再转慢,形成稳定的同步卫星系统,就如同冥王星与冥卫一之间,永远只能同一面面向对方。

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