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月亮看得见的一面和看不见的一面_趣味天文学

时间:2020-01-31 理论教育
月亮看得见的一面和看不见的一面_趣味天文学

用立体镜来观看各种物体,最引人入胜的要算是看见月球的形状了。在立体镜里,你会亲眼看见,月亮是真正的球形。而我们在天空中所看见的月亮却是平面状的,就如同一个茶具托盘。

可是要得到月亮的实体相片却是极其困难的,这或许是许多人都不曾想到的。要拍摄这种照片,就必须对月球变幻莫测的运动规则有深刻的了解。

实际上,月球围绕地球运转的时候,始终是以同一面朝向地球,并且在绕地球运转的同时,它还绕着自己的中轴运动,而这两种运动都是在同一时间段内完成的。

在图37中,大家看到的是月球的运行轨道。图中有意凸出了月球椭圆体的延伸度,实际上月球轨道的偏心率为0.055。在比较小的图形中,肉眼根本无法将其轨道同圆形区分开来:就算将长半轴画成1米,短半轴也只比它短1毫米,而地球距离月球轨道中心的距离也只有5.5厘米。图中有意凸出椭圆体的延伸度,是为了使得接下来的叙述更容易理解。

因此,我们假设图37中的椭圆就是月球围绕地球运转的路线。地球位于O点——椭圆的一个焦点处。开普勒定律不仅适用于行星围绕太阳的运动,同时也适用于卫星围绕行星的运动,尤其适用于月亮的运动。根据开普勒第二定律,月亮在一个月的的055-03时间内走过的路程是AE,因此图形OABCDE的面积等于整个椭圆面积的055-03,也就是等于图形MABCD的面积(此图中,MOQ面积=DEQ面积,则MOQ+OABCD=DEQ+OABCD,即MABCD=OABCDE)。因此,在一个月的055-03的时间内,月亮从A点运行到E点。同其他行星的自转一样,月亮的自转和它们围绕太阳的公转不同,自转都是匀速的:在一个月055-03的时间内,它们旋转了刚好90°。所以,当月球位于E点时,它从A点围绕地球旋转的半径范围是一个大于90°的弧形,因此其投射点并不是M点,而是M点左边的某点,这一点距离月亮轨道的另一个焦点P点不远处。由于月亮表面稍微偏离了地球上的观测者,因此观测者能看到它右半部分原来看不见的一小部分,即呈眉样的边缘。月亮位于F点时,观测者可以见到平时看不见的部分的更窄的一部分,因为角OFP比角OEP小。在G点——月球轨道的远地点,月球相对于地球的位置和位于近地点A时相同。在接下来的运动中,月球面向地球的是它的另一端,地球上的观察者就可以看到它不可见部分的另一小部分:这部分开始时逐渐扩大,然后慢慢缩小,在A点的时候月亮又恢复了原来的位置。

图37 月球围绕自己的轨道绕地球运转。

我们认为,由于月亮的轨道是椭圆形的,月球朝向地球的那一面不会始终完全相同。月球不是始终以相同的一面朝向地球,而是朝向它轨道上的一个焦点。在我们看来,月亮像是在围绕天平上一个中心位置来回摇摆;这种摇摆在天文学上称作“天平动”。天平动的大小是用相应的角度来测量的,例如:E点的天平动等于OEP角。最大的天平动接近8°,为7°53'。(www.guayunfan.com)

让我们来观察天平动的角是如何随着月球在轨道上的移动而增加或者减小的。以D点为圆心,用圆规画一条弧线通过O和P两个焦点,这条弧线在B和F点与轨道相交。OPB和OFP两个角都等于ODP角的一半。在B点时达到最大值的一半,然后开始慢慢增加。在从D点到F点的轨道上,天平动开始慢慢减少,接着减小的幅度增大。在椭圆轨道的下半段,天平动大小的改变情况和上半段一样,不过方向相反(在轨道各点上天平动的大小,大约跟月球距离椭圆形长径的距离成正比)。

我们刚才谈论的是月球的“经天平动”。月球还有一种“纬天平动”。月球轨道的平面跟月球赤道的平面呈079-01的角。因此我们从地球上观察月球时,在某些时候可以从南面略微瞥见一点月球不可见的那一面,在某些时候又可以从北面瞥见它一点。这种纬天平动最大为079-01

现在我们来分析天文摄影家是如何利用月球的这些微摆来拍到它的实体相片的。读者们或许已经猜到,要得到月亮的实体照片,必须选择两个这样的月球位置:当它位于一个位置时,相比于另一个位置,它已经转过了一个足够大的角。例如A点和B点,B点和C点,或者C点和D点等等,这类适合拍摄月球实体照片的点很多。但是我们又遇到了新的难题:在这些位置的时候,月球的位相在1.5~2昼夜的时间内相差太大,使得月亮发光部分的边缘在照片上所呈现的并非是阴影,这对实体照片来说是不应当存在的(这一边缘会如银子般发亮)。由此就出现了一个难题:拍照者需要守候一段时间,才可以拍到相同相位的月亮相位。这些相位的经天平动在大小上应当使得发光部分的边缘通过同样的月面才行。此外,前后两次月面的纬天平动也必须完全相同。

现在大家可以明白了,要得到一张很好的月亮实体照片是多么困难了。因此,如果大家听说一对实体照片中的一张常常需要在另一张拍摄成功之后好几年才能拍成,也就不会感到惊奇了。

我们的读者不见得会去拍摄月球的实体照片。我们之所以在此对这种照片的拍摄方法加以说明,自然并非抱着某种实用的目的,而是为了让大家明白月球运动的一种特性,让天文学家有机会看到平常见不到的月球的那一面的一小部分。由于月亮有两种天平动,因此总的来说,我们所看见的就不只是月球的一半,而是它的59%,完全看不见的部分是41%。谁也不知道我们所看不见的部分是怎样的构造。我们只能推测它和月亮可见的一面不会有很大的差别[2]。天文学家也曾尝试着把月球上的山脉从看得见的一面向后延长,试图借此而画出看不见的那一面上的某些细节来。不过这些想象中的事实是否属实,我们现在还无法加以证实。在此我们只说“现在”,不说将来,因为人们那时候已经可以乘坐一种可以克服地球引力飞入太空的特别飞行器,飞到月球上去,这一大胆的设想在不久的将来就可以实现了。此外,目前我们已经明白了一个事实:在月球的看不见的那一面有空气和水的假设是完全没有根据的,因为这跟物理学规律相矛盾。既然月球的这一面没有空气和水,那一面当然也不会有(我们在后面还会谈到这一点)。