Vì sao ta luôn thấy một mặt của Mặt Trăng: khoá thuỷ triều là gì

Ta luôn thấy một mặt của Mặt Trăng vì nó tự quay quanh trục đúng một vòng trong thời gian quay đúng một vòng quanh Trái Đất, khoảng 27,3 ngày. Sự khớp nhịp này không phải trùng hợp: lực hấp dẫn của Trái Đất đã kéo giãn Mặt Trăng và hãm dần vòng quay của nó trong thời gian rất dài, đến khi hai nhịp bằng nhau. Hiện tượng ấy gọi là khoá thuỷ triều.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Đêm rằm nào ở Việt Nam, người ta cũng thấy cùng một "hình" trên mặt trăng: những mảng tối mà ông bà ta gọi là chú Cuội ngồi gốc cây đa, còn người phương Tây thấy "khuôn mặt người", người Nhật và người Trung Hoa thấy con thỏ giã thuốc. Hình ấy không bao giờ đổi qua các đời người, qua các thế kỷ. Các mảng tối đó là những biển (maria) – đồng bằng dung nham bazan đã đông cứng từ hơn ba tỉ năm trước.

Thứ thay đổi qua mỗi đêm là phần được chiếu sáng (tuần trăng) và độ nghiêng của hình. Trăng mới mọc ở chân trời phía đông trông hơi nghiêng, lên cao thì xoay dần. Ở vĩ độ thấp như Việt Nam, trăng lưỡi liềm thường nằm ngửa như con thuyền; ở châu Âu nó đứng dựng như chữ C hơn; ở Nam bán cầu, cả "khuôn mặt" quay ngược so với ta. Dù xoay thế nào, vẫn là cùng một mặt.

Cơ chế: vì sao Mặt Trăng "chịu" quay khớp nhịp

Tự quay một vòng trong mỗi vòng quanh Trái Đất

Nhiều người nghĩ "luôn thấy một mặt" nghĩa là Mặt Trăng không tự quay. Thử thế này: đặt một chiếc ghế giữa phòng làm Trái Đất. Bạn là Mặt Trăng, đi một vòng quanh ghế mà mặt luôn hướng vào ghế. Hết một vòng, bạn đã lần lượt nhìn về bốn bức tường – tức là bạn đã tự quay đúng một vòng. Nếu bạn không tự quay, tức luôn nhìn về một bức tường, thì chiếc ghế sẽ lần lượt thấy mặt, hông và lưng bạn.

Lực thuỷ triều kéo giãn và hãm phanh

Lực hấp dẫn yếu đi theo khoảng cách. Phía Mặt Trăng gần Trái Đất bị hút mạnh hơn phía xa, nên Mặt Trăng bị kéo giãn nhẹ thành hơi dài dọc theo đường nối với Trái Đất. Thời rất xa xưa, khi Mặt Trăng còn tự quay nhanh hơn bây giờ, phần phình ấy bị vòng quay lôi lệch khỏi đường nối. Trái Đất liền kéo nó về, tạo ra một mô men hãm, giống như bàn tay giữ một bánh xe đang quay. Năng lượng quay bị ma sát bên trong đá tiêu hao thành nhiệt. Đến khi vòng quay chậm đúng bằng nhịp quỹ đạo, phần phình đứng yên đúng hướng Trái Đất, không còn gì để hãm nữa – Mặt Trăng "khoá" lại.

Các mô hình cho thấy quá trình khoá xảy ra khá sớm trong lịch sử Mặt Trăng, khi nó còn ở gần Trái Đất hơn bây giờ nhiều. Con số thời gian chính xác tuỳ vào giả định về độ cứng của đá lúc ấy, nên các nguồn đưa ra khác nhau.

Trái Đất cũng đang bị hãm

Mặt Trăng cũng kéo giãn Trái Đất – chính là thuỷ triều của đại dương. Lực đó đang hãm dần vòng quay của Trái Đất, làm ngày dài thêm một chút qua mỗi thế kỷ, đồng thời đẩy Mặt Trăng ra xa. Các tấm phản xạ laser do các chuyến Apollo đặt lại trên Mặt Trăng cho phép đo khoảng cách rất chính xác: Mặt Trăng đang lùi xa khoảng 3,8 cm mỗi năm.

Ta thật ra thấy được khoảng 59% bề mặt

Dù khoá nhịp, Mặt Trăng vẫn "lắc lư" nhẹ khi nhìn từ Trái Đất, gọi là dao động biểu kiến (libration). Nhờ đó, qua nhiều đêm, ta được nhìn thấy lấn sang mép bên kia một chút. Cộng dồn lại, người ở Trái Đất có thể thấy khoảng 59% bề mặt Mặt Trăng, dù mỗi lúc chỉ thấy tối đa một nửa.

Quay nhanh một chuỗi ảnh chụp trăng tròn qua nhiều tháng, ta sẽ thấy Mặt Trăng như đang lúc lắc cái đầu. NASA có những đoạn phim mô phỏng như vậy dựa trên dữ liệu thật, rất đáng xem.

Mặt sau của Mặt Trăng

Không ai thấy được mặt sau cho đến năm 1959, khi tàu Luna 3 của Liên Xô bay vòng qua và gửi về những bức ảnh đầu tiên. Bất ngờ lớn là mặt sau rất ít biển tối, gần như toàn là cao nguyên sáng màu chi chít hố va chạm. Lý do được giải thích phổ biến là lớp vỏ phía sau dày hơn, dung nham từ bên trong khó trào lên lấp các lòng chảo, dù nguồn gốc của sự bất đối xứng này vẫn còn được nghiên cứu.

Tháng 1 năm 2019, tàu Hằng Nga 4 của Trung Quốc trở thành tàu đầu tiên hạ cánh mềm ở mặt sau. Vì mặt sau không bao giờ nhìn về Trái Đất, tàu phải liên lạc qua một vệ tinh chuyển tiếp đặt ở vị trí đặc biệt phía sau Mặt Trăng.

Khoá thuỷ triều ở những nơi khác

• Phần lớn vệ tinh lớn trong Hệ Mặt Trời đều khoá với hành tinh của chúng, ví dụ bốn vệ tinh lớn của Sao Mộc mà Galileo phát hiện.
• Diêm Vương và Charon khoá lẫn nhau: cả hai luôn hướng cùng một mặt vào nhau, như hai người nắm tay xoay vòng.
• Sao Thuỷ không khoá 1:1 mà rơi vào nhịp 3:2: tự quay ba vòng trong hai vòng quanh Mặt Trời.
• Nhiều hành tinh quay sát quanh những sao lùn đỏ được cho là cũng bị khoá, một nửa mãi là ngày, một nửa mãi là đêm.

Hiểu lầm thường gặp

• "Mặt sau là mặt tối." Sai. Mặt sau nhận nắng nhiều như mặt trước. Vào ngày trăng mới, khi ta không thấy trăng, mặt sau đang được chiếu sáng trọn vẹn. "Mặt khuất" mới là tên đúng.
• "Mặt Trăng không tự quay." Nó tự quay một vòng mỗi khoảng 27,3 ngày, đúng bằng chu kỳ quỹ đạo, như ví dụ đi quanh chiếc ghế.
• "Tháng âm lịch bằng 27,3 ngày." Không. Từ trăng tròn đến trăng tròn mất khoảng 29,5 ngày, vì trong lúc đó Trái Đất cũng đã đi một quãng quanh Mặt Trời, Mặt Trăng phải đi thêm hai ngày để về lại cùng vị trí so với Mặt Trời.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Diễn bằng người thật. Một người ngồi ghế giữa sân làm Trái Đất, một người cầm đèn pin đứng xa làm Mặt Trời, một người đi vòng quanh làm Mặt Trăng, mặt luôn hướng vào ghế. Người ngồi ghế sẽ chỉ thấy mặt trước của bạn mình, và thấy được cả tuần trăng do ánh đèn pin.
2. Vẽ lại các biển tối. Đêm rằm, nhìn trăng bằng mắt hoặc ống nhòm, vẽ phác các mảng tối. Một tháng sau vẽ lại: hình vẫn vậy. Đem so với bản đồ Mặt Trăng để gọi tên vài biển như Biển Yên Tĩnh, nơi tàu Apollo 11 hạ cánh năm 1969.
3. Bắt dao động biểu kiến. Chụp trăng gần tròn bằng điện thoại qua ống nhòm (giữ máy sát thị kính) hai lần cách nhau vài tháng. Đặt hai ảnh cạnh nhau, nhìn biển Crisium – một mảng tối tròn gần mép phải. Có lúc nó nằm sát mép hơn, có lúc lùi vào trong rõ rệt.

Nhìn trăng bằng ống nhòm hoàn toàn an toàn, kể cả trăng tròn chói. Chỉ cần nhớ: đừng dùng ống nhòm khi Mặt Trời còn trên trời, nhất là lúc trăng ban ngày ở gần Mặt Trời.