Мы почти всегда видим одну и ту же сторону Луны не потому, что она перестала вращаться, а именно потому, что вращается. За один оборот вокруг Земли Луна делает примерно один оборот вокруг собственной оси. Поэтому сторона, обращённая к нам в начале орбиты, остаётся обращённой к Земле и спустя четверть, половину и полный круг. Такое состояние называется синхронным вращением или приливным захватом.
Мысленный эксперимент прост: обойдите человека по кругу, всё время глядя ему в лицо. Через полный круг вы вернётесь на исходное место, но одновременно повернётесь вокруг себя на 360°. Если бы вы вообще не вращались относительно далёких звёзд, на разных участках круга смотрели бы на человека разными боками. Именно так было бы и с Луной, если бы она действительно «не вращалась».
Почему вращение Луны синхронизировалось с орбитой
Сразу после формирования Луна, вероятно, вращалась быстрее. Земная гравитация действует на ближнюю и дальнюю части Луны немного по-разному и создаёт приливную деформацию. Если спутник вращается не синхронно, ось этой деформации чуть смещена относительно линии Земля–Луна. Гравитационный момент тянет «приливной горб» назад и постепенно меняет скорость вращения.
Энергия при этом не исчезает: часть механической энергии рассеивается внутри спутника как тепло. За длительное время система приходит к устойчивому состоянию, в котором период вращения равен периоду обращения. NASA отмечает, что такое приливное запирание характерно для всех крупных спутников планет Солнечной системы, поэтому Луна здесь не исключение, а хороший знакомый пример общей гравитационной эволюции.
Синхронизация не означает, что все движения идеально «замерли». Луна продолжает вращаться, её орбита немного эллиптическая, ось и плоскость орбиты наклонены, а приливное взаимодействие Земли и Луны продолжается и сегодня.
27,3 дня или 29,5 дня — какой период правильный
Здесь часто появляется второе недоразумение. Относительно далёких звёзд Луна обходит Землю и поворачивается вокруг своей оси примерно за 27,3 суток — это сидерический месяц. Но от новолуния до следующего новолуния проходит около 29,5 суток. Это синодический месяц, связанный с фазами.
Разница возникает потому, что за 27,3 дня сама Земля успевает заметно продвинуться по орбите вокруг Солнца. Луне нужно пройти ещё немного, чтобы снова занять то же положение относительно линии Земля–Солнце. Поэтому период фаз и период вращения относительно звёзд — разные величины, и сравнивать для приливной синхронизации нужно именно орбитальный и вращательный периоды в одной системе отсчёта.
Почему мы всё-таки видим больше половины Луны
Синхронное вращение удерживает к Земле примерно одну сторону, но геометрия не идеальна. Орбита Луны эллиптическая: скорость движения по ней немного меняется, тогда как вращение вокруг оси идёт почти равномерно. Из-за этого нам кажется, что Луна слегка покачивается вправо-влево. Дополнительное покачивание вверх-вниз связано с наклоном её оси и орбиты. Совокупность этих эффектов называется либрацией.
Благодаря либрации с Земли со временем можно увидеть около 59% лунной поверхности, а не ровно 50%. NASA даже рекомендует наблюдателям следить за благоприятными либрациями, когда детали у края диска становятся заметнее. При этом в каждый конкретный момент видимой остаётся примерно половина поверхности, как и у любого освещённого шара.
То, что мы видим больше половины поверхности в разные моменты, не означает, что Луна периодически «отворачивается» от приливного захвата. Это результат небольших различий в нашей точке зрения и неравномерной скорости движения по эллиптической орбите.
Дальняя сторона — не «тёмная»
Название «тёмная сторона Луны» популярно, но физически неверно, если под «тёмной» понимать неосвещённую. Солнце освещает дальнюю сторону так же, как ближнюю. Во время новолуния сторона, обращённая к Земле, почти не освещена Солнцем, зато дальняя находится в солнечном свете; около полнолуния ситуация меняется.
Дальняя сторона долго оставалась невидимой именно из-за геометрии, а не из-за отсутствия света. Первые изображения её поверхности передала советская «Луна-3» в 1959 году. Она заметно отличается от ближней стороны: там гораздо меньше крупных тёмных базальтовых равнин, которые мы называем лунными морями. Почему они выглядят как пятна, разобрано в статье о тёмных областях Луны; отдельно можно прочитать и о происхождении лунных морей.
Итак, «одна сторона Луны» — не загадочная неподвижность, а следствие очень обычной небесной механики. Луна вращается ровно так, чтобы её один оборот совпадал с одним обращением вокруг Земли; приливные силы привели систему к этому состоянию, а либрация позволяет нам заглядывать немного за края привычного диска.