Десятки тысяч лет люди смотрели на ночное небо, и Луна всегда показывала им одно и то же лицо — кратеры Моря Спокойствия, Океан Бурь, тёмные пятна, которые древние принимали за водоёмы. Но Луна никогда не показывала другую сторону, хотя, мы и видели её на фотографиях. А почему так?
Для начала — простой факт
Луна вращается вокруг своей оси. Это важно понять сразу, потому что многие думают иначе: раз мы всегда видим одну сторону, значит, Луна вообще не крутится. Это неверно. Луна вращается — но делает это ровно с той же скоростью, с которой обращается вокруг Земли. Один оборот вокруг оси — один оборот по орбите. Период обоих движений составляет примерно 27,3 земных суток. Это и есть причина, по которой мы видим одно и то же полушарие.
Представьте, что вы идёте по кругу вокруг дерева и при этом постоянно смотрите на него. Чтобы не терять дерево из виду, вам придётся непрерывно поворачиваться — делать ровно один оборот вокруг собственной оси за каждый круг вокруг дерева. Именно так движется Луна. Такое явление в астрономии называется синхронным вращением, или приливным захватом.
Как гравитация «заморозила» вращение
Теперь главный вопрос: почему именно такая синхронизация? Это не совпадение и не чья-то воля. Это результат долгого физического процесса, который называется приливным торможением.
Когда Луна только сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад, она вращалась вокруг своей оси значительно быстрее. Земля с её мощным гравитационным полем тянула Луну неравномерно — ближайшая сторона притягивалась сильнее, чем дальняя. Это создавало в теле Луны приливные деформации: вещество спутника буквально вытягивалось в сторону Земли, образуя небольшой «горб».
Проблема в том, что этот горб не успевал точно следовать за Землёй — из-за собственного вращения Луны он всегда немного опережал или запаздывал. Гравитационное притяжение Земли действовало на этот смещённый горб как тормоз, постепенно замедляя вращение спутника. Этот процесс шёл миллиарды лет — медленно, неуклонно, без остановки.
В конце концов наступил момент, когда скорость вращения Луны вокруг оси сравнялась со скоростью её обращения вокруг Земли. Приливный горб «встал» точно на линии Земля — Луна, тормозящее воздействие исчезло, и система пришла в равновесие. Луна «заморозилась» в этом состоянии навсегда. С тех пор она всегда смотрит на нас одним и тем же полушарием.
Почему именно «эта» сторона, а не другая?
Ответ связан с неоднородностью самой Луны. Она не является идеально симметричным шаром. Её центр масс немного смещён — примерно на 1,9 километра — в сторону того полушария, которое обращено к нам. Это значит, что видимая сторона чуть «тяжелее» невидимой.
Когда приливный захват завершался и система искала точку равновесия, гравитация Земли естественно «предпочла» притянуть к себе более тяжёлую сторону. Более массивное полушарие оказалось ближе к Земле — и именно оно стало видимой стороной. Если бы распределение масс в Луне было другим, мы бы смотрели на то, что сегодня называем обратной стороной.
Почему обе стороны Луны выглядят так по-разному?
Когда в 1959 году советский зонд «Луна-3» впервые сфотографировал обратную сторону, учёные были удивлены. Две стороны одного небесного тела оказались разительно непохожи друг на друга.
Видимая сторона покрыта тёмными морями — обширными равнинами застывшей лавы. Обратная сторона выглядит иначе: она гораздо более кратерированная, гористая, и тёмных «морей» на ней почти нет.
Учёные объясняют это несколькими факторами. Кора обратной стороны значительно толще — около 80 километров против 60 километров на видимой стороне. Когда в раннюю эпоху бомбардировок астероиды пробивали кору, на видимой стороне магма легче прорывалась на поверхность и заливала кратеры, образуя моря. Толстая кора обратной стороны не давала этому происходить — кратеры там так и остались кратерами.
Возможно, на формирование различий повлияла и сама Земля: её тепловое излучение в ранние эпохи могло немного разогревать обращённую к ней сторону, делая её кору тоньше.
Уникальность этого явления в Солнечной системе
Приливный захват — это универсальный механизм, который действует повсюду в Солнечной системе. Большинство крупных спутников планет-гигантов — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто у Юпитера; Титан, Энцелад у Сатурна — тоже находятся в синхронном вращении и всегда повёрнуты к своей планете одной стороной.
Более того, небольшие тела в парах с похожими массами могут захватить друг друга взаимно. Именно так устроена система Плутон — Харон: оба тела всегда смотрят друг на друга одной стороной. Это называется двойным приливным захватом.