Vì sao Mặt Trăng luôn chỉ hướng một mặt duy nhất về phía Trái Đất?

Từ Trái Đất, con người dường như luôn nhìn thấy cùng một “khuôn mặt” của Mặt Trăng. Dù quan sát vào bất kỳ thời điểm nào trong năm, các pha của Mặt Trăng có thể thay đổi từ Trăng lưỡi liềm, bán nguyệt đến Trăng tròn, nhưng những miệng hố, vùng sáng và các mảng tối đặc trưng trên bề mặt vẫn gần như không đổi.

Trăng tròn trên Lâu đài Evoramonte, ảnh của Sérgio Conceição, Evoramonte, Bồ Đào Nha, ngày 6/5/2023. Nguồn: BBC Skyatnightmagazine

Trong hàng nghìn năm lịch sử, mô hình quen thuộc gồm những vùng cao sáng màu xen lẫn các đồng bằng tối rộng lớn, được gọi là "biển" Mặt Trăng hay maria, luôn hướng về phía Trái Đất. Đó là cảnh tượng mà gần như mọi thế hệ con người từng sống trên hành tinh này đều có thể quan sát bằng mắt thường.

Điều này đặt ra một câu hỏi thú vị: Trái Đất tự quay quanh trục của mình, Mặt Trăng cũng chuyển động quanh Trái Đất, vậy tại sao chúng ta không lần lượt nhìn thấy toàn bộ bề mặt của vệ tinh tự nhiên này? Câu trả lời nằm ở một hiện tượng quan trọng của cơ học thiên thể mang tên khóa thủy triều.

Mặt Trăng vẫn tự quay, nhưng quay đúng bằng thời gian nó đi một vòng quanh Trái Đất

Nhiều người lầm tưởng rằng Mặt Trăng không tự quay. Trên thực tế, Mặt Trăng quay quanh trục của chính nó. Điểm đặc biệt là nó hoàn thành một vòng tự quay trong khoảng 27,3 ngày, gần như chính xác bằng thời gian cần để hoàn thành một vòng quỹ đạo quanh Trái Đất.

Chính sự trùng khớp này khiến Mặt Trăng luôn giữ gần như cùng một bán cầu hướng về phía chúng ta.

Có thể hình dung đơn giản: nếu Mặt Trăng không tự quay khi bay quanh Trái Đất, sau khi đi hết một vòng quỹ đạo, chúng ta sẽ lần lượt quan sát được toàn bộ bề mặt của nó. Ngược lại, nếu Mặt Trăng tự quay nhanh hơn hoặc chậm hơn tốc độ hiện nay, phần bề mặt hướng về Trái Đất cũng sẽ liên tục thay đổi.

Nhưng vì tốc độ tự quay và tốc độ chuyển động quỹ đạo của Mặt Trăng đã đồng bộ với nhau, mỗi khi nó hoàn thành một vòng quanh Trái Đất, nó cũng vừa quay đúng một vòng quanh trục. Kết quả là cùng một phía luôn gần như hướng về hành tinh của chúng ta.

Trong thiên văn học, trạng thái này được gọi là khóa thủy triều (tidal locking). 

Tuy nhiên, việc nói rằng chúng ta chỉ nhìn thấy đúng 50% bề mặt Mặt Trăng cũng chưa hoàn toàn chính xác. Do một hiệu ứng dao động nhẹ được gọi là libration, hay dao động biểu kiến của Mặt Trăng, các nhà quan sát trên Trái Đất có thể nhìn thấy thêm một phần nhỏ ở gần rìa. Tổng cộng, theo thời gian, con người có thể quan sát được khoảng 59% bề mặt Mặt Trăng.

Lực hấp dẫn của Trái Đất đã làm chậm vòng quay của Mặt Trăng

Để hiểu vì sao Mặt Trăng lại rơi vào trạng thái khóa thủy triều, cần quay trở lại thời điểm nó mới hình thành, khoảng 4,5 tỷ năm trước.

Khi còn non trẻ, Mặt Trăng quay nhanh hơn rất nhiều so với hiện nay. Nhưng lực hấp dẫn cực mạnh của Trái Đất đã tác động liên tục lên vệ tinh này. Tương tự như cách lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời gây ra thủy triều trên các đại dương Trái Đất, lực hấp dẫn của Trái Đất cũng tạo ra những biến dạng rất nhỏ nhưng quan trọng trong cấu trúc của Mặt Trăng.

Chúng ta luôn nhìn thấy cùng một phía của Mặt Trăng, mặc dù nhờ hiện tượng dao động của Mặt Trăng, ta có thể quan sát được nhiều hơn một chút so với một nửa bề mặt của nó. Nguồn ảnh: BBC Skyatnightmagazine/Pete Lawrence

Nói một cách đơn giản, Mặt Trăng không phải là một khối cầu hoàn hảo. Sự chênh lệch lực hấp dẫn khiến nó xuất hiện một dạng "phình" nhẹ theo phương nối giữa Trái Đất và Mặt Trăng.

Trong giai đoạn Mặt Trăng quay nhanh, vị trí của phần biến dạng này không cố định mà liên tục dịch chuyển trên bề mặt. Sự dịch chuyển đó tạo ra ma sát bên trong vật chất của Mặt Trăng, làm tiêu hao dần năng lượng quay.

Theo thời gian, hiệu ứng này hoạt động như một chiếc phanh khổng lồ của tự nhiên, khiến tốc độ tự quay của Mặt Trăng ngày càng chậm lại. Quá trình kéo dài hàng tỷ năm cuối cùng đưa nó đến trạng thái cân bằng: thời gian tự quay bằng đúng thời gian quay quanh Trái Đất.

Khi đạt đến trạng thái này, bán cầu hướng về Trái Đất được giữ gần như cố định. Và đó là lý do cho đến ngày nay, con người trên Trái Đất vẫn luôn quan sát cùng một phía quen thuộc của Mặt Trăng.

Hiện tượng khóa thủy triều không phải là điều hiếm gặp trong vũ trụ. Nhiều vệ tinh tự nhiên khác cũng bị khóa thủy triều với hành tinh chủ. Ngay cả Trái Đất cũng đang chịu tác động thủy triều từ Mặt Trăng, khiến tốc độ tự quay của hành tinh chúng ta thay đổi cực kỳ chậm theo những thang thời gian địa chất.

Vì sao Mặt Trăng vẫn thay đổi hình dạng qua từng đêm?

Dù cùng một phía luôn hướng về Trái Đất, Mặt Trăng rõ ràng không có vẻ ngoài giống nhau vào mỗi đêm. Có lúc nó chỉ là một lưỡi liềm mảnh, sau đó dần trở thành bán nguyệt, rồi tròn đầy và cuối cùng lại thu hẹp dần.

(Video mô phỏng cách Mặt Trăng quay quanh Trái Đất. Nguồn: Interplanetary/YouTube)

Đây không phải là do Mặt Trăng đổi phía quay về phía Trái Đất, mà là do các pha của Mặt Trăng.

Pha Mặt Trăng đơn giản là tỷ lệ phần bề mặt được Mặt Trời chiếu sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy từ Trái Đất. Tại bất kỳ thời điểm nào, khoảng 50% bề mặt Mặt Trăng luôn được ánh sáng Mặt Trời chiếu tới. Nhưng từ vị trí quan sát trên Trái Đất, chúng ta không phải lúc nào cũng nhìn thấy phần được chiếu sáng đó.

Chẳng hạn, khi xảy ra Trăng non, phần bán cầu được chiếu sáng chủ yếu quay về phía Mặt Trời và nằm ở phía đối diện với Trái Đất, khiến chúng ta gần như không nhìn thấy Mặt Trăng. Khi Mặt Trăng tiếp tục chuyển động trên quỹ đạo, góc giữa Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng thay đổi, làm phần sáng có thể quan sát tăng dần.

Mặt Trăng có thể luôn hướng cùng một mặt về phía chúng ta, nhưng diện mạo của mặt đó lại liên tục thay đổi. Nguồn ảnh: iStock

Đến kỳ Trăng tròn, Trái Đất nằm gần giữa Mặt Trời và Mặt Trăng, vì vậy gần như toàn bộ bán cầu đang hướng về phía chúng ta được chiếu sáng.

Đây cũng là lý do các nhà thiên văn học không gọi phần bề mặt không hướng về Trái Đất là "mặt tối của Mặt Trăng". Cách gọi này dễ gây hiểu lầm, bởi phía đó cũng có ngày và đêm, cũng được Mặt Trời chiếu sáng giống như phía chúng ta nhìn thấy. Thuật ngữ chính xác hơn là mặt xa của Mặt Trăng.

Một chu kỳ đầy đủ của các pha Mặt Trăng, từ Trăng non đến trăng tròn rồi trở lại Trăng non, kéo dài khoảng 29,5 ngày. Chu kỳ này được gọi là một tháng giao hội.

(Theo BBC Skyatnightmagazine, Astronomy, Earthsky)