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{{noteTA
|G1=Astronomy
}}
{{hatnote|[[海洋學]]的[[潮汐共振]]是另一篇獨立的文章。}}
{{about|潮汐鎖定|對地月系統更為定量的描述|潮汐加速}}

[[File:Tidal locking of the Moon with the Earth.gif|thumb|300px|潮汐鎖定使[[衛星]]繞軸自轉的週期和圍繞[[行星]]公轉的週期大致相同。排除[[天平動]]的影響，月球像左圖一樣，始終以同一面朝向地球。如果月球沒有自轉，在它環繞地球公轉時，其正面和背面會交替地朝向地球，如右圖所示。兩圖皆以月球自轉軸的上方鳥瞰視角、且未依實際比例繪製]]

'''潮汐鎖定'''（或'''同步自轉'''、'''受俘自轉'''，{{lang-en|Tidal locking}}）是指一個[[天體]]受[[潮汐力|重力梯度]]影響，而永遠以同一面對著另一個天體的現象。一個明顯的例子是[[月球]]因為此現象而永遠以同一面朝向著[[地球]]。潮汐鎖定的天體繞自身的軸旋轉一圈的時間跟繞著其同伴（或它們之間的[[質心]]）公轉一圈的時間大致相同。這種[[同步自轉]]導致受影響天體固定地以其中一個半球朝向其同伴。在大部份情況下，只有較小的天體（如[[衛星]]）會被所環繞的較大天體（如[[行星]]）潮汐鎖定，但兩個物理性質和質量都相近的天體會'''互相'''潮汐鎖定（例如[[冥王星]]與其最大衛星[[冥衛一|凱倫]]）。理論上，較小的天體也可以潮汐鎖定比自身大數倍的天體，但這個過程需時甚長，大多數情况下不會在有關天體被摧毀前完成。

人造衛星的重力梯度穩定技術是人類應用潮汐鎖定現象的一個例子。

==機制==
在[[自轉週期|自轉率]]的改變上，大的天體A將天體B潮汐鎖定，需要A的[[引力]]在B的[[潮汐力|隆起]]的誘導下造成[[扭矩]]。

===潮汐隆起===
A的引力對B造成潮汐力使得B的引力[[機械平衡|平衡]]受到扭曲，形狀在朝向A的軸線方向上變得細長；相反的，在垂直A軸向的維度上略有減少。這種扭曲現象被稱為潮汐隆起。當B未被潮汐鎖定時，這個隆起會在表面移动，兩個隆起之一會在靠近A在正上方的一個點。對大型的天體而言，由於本身的重力，形狀會接近[[球體]]，潮汐的扭曲會造成輕微的[[扁球體]]，也就是說一個沿著主軸方向軸對稱的[[橢球體]]。較小的天體也會經歷這種扭曲，但這些扭曲是不規則的。

===隆起拖曳===
物體B對潮汐力引起的周期性的重塑會[[施全力]]（Exertion）的抵抗。事實上，有時候B需要一些時間來重塑重力的平衡，但在這段時間，A-B的軸向因為B的旋轉已經改變，所以形成的隆起會與A-B軸向有一段距離。從太空中的瞭望點來看，隆起最高點的方向與指向A的方向已經有了偏差。如果B的自轉週期短於它的軌道週期，這個隆起將超前於A-B軸的指向；反過來如果B的自轉週期較長，取而代之的是隆起將落後{{Citation needed|date=July 2011}}。

=== 扭矩的結果 ===
<!-- 檔案不存在 [[File:Tidal torque.png|thumbnail|如果天體的潮汐隆起與主要的軸線沒有對齊，潮汐力施加的淨扭力就會重新組合，調整天體扭曲的方向。]] -->

由於隆起偏離了A-B軸指向的方向，A的引力將拉住這些質量而對B施加了扭矩。在面對A的隆起，扭矩的作用使B的自轉符合軌道週期，但在"背面"的隆起是遠離A的，因此起了相反的作用（維持自轉的週期）。不過，朝向A這一側的隆起比背面的隆起更靠近A大約相當於B的直徑，所以會經歷較強的引力和扭矩。來自這兩個隆起扭矩的淨效應，是永遠朝向B的自轉週期與軌道週期同步，也就是結果終將是潮汐鎖定。

===軌道變化===
[[File:MoonTorque.jpg|thumb|alt=Tidal Locking|如果自轉的頻率大於軌道 (公轉)頻率，抵制的小扭矩將會浮現，最終達成頻率鎖定（綠色描述的情況）。]]

A-B系統的總[[角動量]]在這個過中是守恆的，所以當B減慢速度和失去角動量時，軌道的角動量會提升相似的量（其中也有一些對A的自轉造成較小的影響）。這樣的結果是導致B在減緩自轉速度時，相對於A的軌道會提升。而另一種情況，當B的自轉速度太慢時，潮汐鎖定的作用會使它的自轉加速，同時使B的軌道''降低''。

===大天體的鎖定===
潮汐鎖定的效應也會發生在大天體A上，只是因為B的體積較小，引力作用也較微弱，所以需要更長的時間才能將A潮汐鎖定。例如，地球的自轉就因為月球而逐漸減緩，從一些化石在地質時間上的推移可以察覺其總量<ref>{{cite book
 | first=Imke | last=de Pater
 | year=2001
 | title=Planetary Sciences
 | url=https://archive.org/details/planetaryscience00pate | publisher=Cambridge| isbn=0521482194
 | page=[https://archive.org/details/planetaryscience00pate/page/n75 34]}}</ref>。
這個過程仍在進行中，而且已經大幅減緩了地球從誕生迄今的自轉速度。目前的估計是協助（與太陽的潮汐影響）地球的自轉從6個小時至當前的24小時。而在目前的階段，[[原子鐘]]顯示地球的一天每年大約延長15微秒<ref>{{cite web|last = Ray|first = R.|date = 15 May 2001|url = http://bowie.gsfc.nasa.gov/ggfc/tides/intro.html|title = Ocean Tides and the Earth's Rotation|publisher = IERS Special Bureau for Tides|accessdate = 17 March 2010|deadurl = no|archiveurl = https://web.archive.org/web/20100327084125/http://bowie.gsfc.nasa.gov/ggfc/tides/intro.html|archivedate = 2010年3月27日|df = }}</ref>。只要給予足夠的時間，就將在月球和地球創造出相互的潮汐鎖定，地球的一天會逐漸延長，而[[恆星月]]或逐漸縮短，直到兩者有著相同的時間長度。但這個過程是非常緩慢的，不能期望在太陽成為[[紅巨星]]，吞噬掉地球和月球之前就能發生<ref>{{cite book| last1 = Murray | first1 = C.D.|first2 = Stanley F. |last2 = Dermott| title = Solar System Dynamics| year = 1999| publisher = Cambridge University Press| isbn = 978-0-521-57295-8| page = 184 }}</ref><ref>{{cite book| last = Dickinson| first = Terence| authorlink = Terence Dickinson| title = From the Big Bang to Planet X| url = https://archive.org/details/frombigbangtopla00unse| year = 1993| publisher = [[Camden House]]| location = Camden East, Ontario| isbn = 978-0-921820-71-0| pages = [https://archive.org/details/frombigbangtopla00unse/page/n80 79]–81 }}</ref>。

對於大小相似的天體，這種效應在同等級規模的天體上，或許會兩者同時被潮汐鎖定。[[矮行星]][[冥王星]]和它的衛星[[冥衛一|凱倫]]就是最好的例子—只有從冥王星的一個半球可以看見凱倫，反之亦然。而冥王星的年齡估計和地球與太陽系內其他的行星大致是相同的。

===自轉軌道共振===
最後，在軌道[[軌道離心率|離心率]]較高的情況下，潮汐力是相對較弱的，較小的天體最終可能會產生[[軌道共振]]而不是'''潮汐鎖定'''。在這種情況下，軌道週期和自轉週期的比率是一些明確但不同於1:1的分數。一個著名的例子是[[水星]]的自轉 － 鎖定到與公轉太陽週期為3:2的共振。

許多太陽系外行星（特別是靠近母天體的那些行星）預料將會有高於1:1的自轉軌道共振。
例如，超級地球的[[格利泽581|葛利澤581 d]]最可能會在2:1的自轉軌道共振下，每自轉兩次繞著母星公轉一圈<ref name="rotation"/>。

==事件==
=== 衛星 ===
[[File:Synchronous rotation.svg|thumb|由於潮汐鎖定，在中央天體的居民永遠看不見標示綠色的一面。]]
在[[太陽系]]中許多值得注意的衛星最值得注意的就是潮汐鎖定，因為它們的軌道非常接近，就因為距離的減少，而使潮汐力迅速增加（與距離的[[三次方程|三次方成反比]]）。值得注意的例外是[[氣體巨星|氣體]]巨行星外圍的不規則衛星，距離比那些知名的大衛星遠了許多。

[[冥王星]]和[[冥衛一|凱倫]]是潮汐鎖定的一個極端例子。與主星相比，凱倫是一顆相對較大的衛星，軌道也非常靠近，使得冥王星也被凱倫潮汐鎖定。實際上，這兩顆[[天體]]彼此相互環繞著（[[質心座標系統|質心]]位於冥王星外），好像是以一根竿子在兩個天體的表面各自固定著一個點而相對著。

[[小行星衛星]]是否潮汐鎖定，大部分的情況仍屬未知，但預期軌道緊密的[[密接小行星]]會如同[[密接聯星]]一樣是潮汐鎖定的。

==== 月球 ====
[[File:FullMoon2010.jpg|thumb|因為[[月球]]是1:1的潮汐鎖定，所以從[[地球]]只能看見[[月球正面]]的一側。]]

月球的自轉和軌道週期相互之間是潮汐鎖定的，所以無論從地球的何處觀察月球，始終只能見到月球同一面的半球。直到1959年，從前[[蘇聯]]太空船[[月球3號]]傳送回來的照片，才完整的看見[[月球背面]]。

儘管月球的自轉和公轉完全被鎖定，但是由於[[天秤動]]和[[視差]]，從地球反復的觀測，仍可以看見月球總表面的大約59%。[[天秤動]]主要的成因是月球軌道的[[軌道離心率|離心率]]造成的軌道速度變化：使地球的觀測者在周邊上可以多觀測到約6°。視差是幾何學的效果：是在地球表面上相對於地月中心聯線的偏移量，而因為這個關係，使月球在我們的[[地平線]]時，可以多觀察到一點月球表面的邊緣（大約1°）。

===行星===
天文學家原本認為[[水星]]是被太阳潮汐鎖定的，這是因為在適合觀測水星時，它都以同一面朝向地球的觀測者。1959年，雷達觀測證明水星是以3:2的軌道共振而非1:1的完全潮汐锁定；即水星每自轉3圈就繞著太陽公轉2圈。这使得地球上的观测者在適合觀測的时间观测時，水星都以同一面朝向著地球，出現它似乎被潮汐鎖定的假象。水星的軌道離心率造成穩定的3:2軌道共振。

[[金星]]的每583.92天與地球會合一次，幾乎是金星自轉的5個太陽日（精確的說是5.001444金星日），使得每次接近地球時都以同一侧朝向地球。這种现象是偶然還是與地球的某種潮汐鎖定關係，目前仍不得而知<ref>Gold T., Soter S. (1969), ''Atmospheric tides and the resonant rotation of Venus'', Icarus, v. 11, p 356-366</ref>。

当一个行星被恆星潮汐鎖定時，行星的一側會是永恆的星光照耀，而另一側是在永恆的黑暗中。

===恆星===
整個宇宙的密接[[聯星]]都被認為是潮汐鎖定的，已經被發現軌道極為靠近主星的[[系外行星]]也被認為是潮汐鎖定的。一個不尋常的例子，[[MOST (衛星)|MOST衛星]]已經證實[[右攝提二]]（牧夫座τ）被一顆行星潮汐鎖定著，並且幾乎可以肯定潮汐鎖定是相互的<ref name="space.com">[http://www.space.com/scienceastronomy/050523_star_tide.html SPACE.com - Role Reversal: Planet Controls a Star<!-- Bot generated title -->] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080804180104/http://www.space.com/scienceastronomy/050523_star_tide.html |date=2008-08-04 }}</ref>。

== 時間尺度 ==
使用下列的公式可以估算一個天體被潮汐鎖定所需要的時間尺度<ref name="">{{cite journal | author= B. Gladman et al.| title= ''Synchronous Locking of Tidally Evolving Satellites''| journal= Icarus| year= 1996| volume= 122| pages= 166 | doi = 10.1006/icar.1996.0117| bibcode=1996Icar..122..166G}} (See pages 169-170 of this article. Formula (9) is quoted here, which comes from S.J. Peale, ''Rotation histories of the natural satellites'', in {{cite book | editor= J.A. Burns | title= ''Planetary Satellites''| url= https://archive.org/details/planetarysatelli00burn | year= 1977| publisher= University of Arizona Press |pages= [https://archive.org/details/planetarysatelli00burn/page/n98 87]–112| location= Tucson}})</ref>：

:::<math>
t_{\textrm{lock}} \approx \frac{w a^6 I Q}{3 G m_p^2 k_2 R^5}
</math>

此處
* <math>\omega\,</math>是初始的自轉速率（[[弧度]][[每秒弧度]]）。
* <math>a\,</math>是衛星環繞行星運動的[[半長軸]]。
* <math>I\approx 0.4 m_s R^2</math>是衛星的[[轉動慣量]]。
* <math>Q\,</math>是衛星的散逸函數（消耗函數）。
* <math>G\,</math>是[[萬有引力常數]]。
* <math>m_p\,</math>是行星的質量。
* <math>m_s\,</math>是衛星的質量。
* <math>k_2\,</math>是衛星潮汐的{{link-en|二階勒夫數|Love number}}
* <math>R\,</math>是衛星的半徑。

除了地球和月球的<math>k_2/Q=0.0011</math>之外，一般來說對''Q''和<math>k_2</math>的所知都很有限。然而，實務上都粗略的估計''Q''≈100（或許過於保守，會高估鎖定的時間），並且

:::<math>
k_2 \approx \frac{1.5}{1+\frac{19\mu}{2\rho g R}},
</math>
	
此處
* <math>\rho\,</math>是衛星的密度。
* <math>g\approx Gm_s/R^2</math>是衛星的表面重力。
* <math>\mu\,</math>是鋼體的衛星。對岩石的衛星大約是3{{e|10}} Nm<sup>−2</sup>，對只是冰凍的衛星大約是4{{e|9}} Nm<sup>−2</sup>。

可以看出，即使已經知道衛星的大小和密度，依然留下了許多必需要估計的參數（特別是''<math>\omega</math>''、''Q''、和<math>\mu\,</math>），所以任何對潮汐鎖定的計算所獲得的時間都不被預期是正確的，甚至會差到10個數量級。更進一步說，在潮汐鎖定階段的軌道半徑''a''可能由於後續的[[潮汐加速]]，已經完全不同於當今觀測到的，而這個值在潮汐鎖定的時間上是很敏感的。

由於不確定性是如此的高，上面的公式可以簡化以避免繁瑣的計算。假設衛星是球體的，<math>k_2\ll1\,</math>，''Q'' = 100，明智的做法是以12小時為間隔去猜測一個未潮汐鎖定的初始公轉週期（大多數的小行星自轉週期在2小時到2天之間）。

:::<math>
t_{\textrm{lock}}\quad \approx\quad 6\ \frac{a^6R\mu}{m_sm_p^2}\quad \times 10^{10}\ \textrm{ years},
</math>{{citation needed|date=October 2012}}

式中的質量單位是公斤，距離單位為米，同時μ是Nm<sup>−2</sup>。對岩石天體μ可以粗略的選擇為3{{e|10}} Nm<sup>−2</sup>，對冰凍天體μ是4{{e|9}} Nm<sup>−2</sup>。

請注意與軌道半徑''a''的相關性極強。

在主星和衛星都已經潮汐鎖定的狀態，例如冥王星，衛星和主星的參數可以互換。

一個結論是，''其它的因素不變''（像是Q和μ），在同樣軌道半徑上的大衛星將比小衛星更快的被行星潮汐鎖定，因為<math>m_s\,</math>的成長是衛星半徑<math>R</math>的三次方。在土星系統中有一個可能的例子，[[土衛七]](Hyperion)未被潮汐鎖定，而質量較大且軌道距離較遠的[[土衛八]](Iapetus)卻已經被鎖定。不過還必須要指出這是不明確的，因為[[土衛七]](Hyperion)還受到鄰近的[[土衛六]](泰坦)強大的驅動，這會使它的自轉造成混亂。

上述公式的鎖定時間尺度可能切割了數量級的順序，因為它們忽略了頻率與<math>
k_2/Q
</math>的依賴關係。

== 已知被潮汐鎖定天體列表 ==
=== 太陽系 ===
'''被[[太陽]]鎖定'''
* [[水星]]（3:2的自旋[[軌道共振]]）

'''被[[地球]]鎖定'''
* [[月球]]

'''被[[火星]]鎖定'''
* [[火衛一]]（Phobos）
* [[火衛二]]（Deimos）

'''被木星鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[木衛十六]]（Metis）
* [[木衛十五]]（Adrastea）
* [[木衛五]]（Amalthea）
* [[木衛十四]]（Thebe）
* [[木衛一]]（Io）
* [[木衛二]]（Europa）
* [[木衛三]]（Ganymede）
* [[木衛四]]（Callisto）
{{colend}}

'''被[[土星]]鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[土衛十八]]（Pan）
* [[土衛十五]]（Atlas）
* [[土衛十六]]（Prometheus）
* [[土衛十七]]（Pandora）
* [[土衛十一]]（Epimetheus）
* [[土衛十]]（Janus）
* [[土衛一]]（Mimas）
* [[土衛二]]（Enceladus）
* [[土衛十三]]（Telesto）
* [[土衛三]]（Tethys）
* [[土衛十四]]（Calypso）
* [[土衛四]]（Dione）
* [[土衛五]]（Rhea）
* [[土衛六]]（Titan）
* [[土衛八]]（Iapetus）
{{colend}}

'''被[[天王星]]鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[天衛五]]（Miranda）
* [[天衛一]]（Ariel）
* [[天衛二]]（Umbriel）
* [[天衛三]]（Titania）
* [[天衛四]]（Oberon）
{{colend}}

'''被[[海王星]]鎖定'''
* [[海衛八]]（Proteus）
* [[海衛一]]（Triton）

'''與[[冥王星]]鎖定'''
* [[冥衛一]]（Charon，冥王星本身也被冥衛一鎖定）

=== 系外太陽系 ===
* [[牧夫座τb|右攝提二b]]（牧夫座τb）已知是因為軌道太靠近而被[[右攝提二]]（牧夫座τ）鎖定的[[大行星]]<ref name="space.com"/>

== 疑似被鎖定的天體 ==
=== 太陽系 ===
以主星鎖定一個天體所需要的可能時間為基礎，和它存在於軌道上的時間比較（太陽系大多數衛星的年齡與行星年齡相似），許多衛星被認為是被鎖定的。但是，其中有些的自轉週期還不知道或是所知不多，它們是：

'''可能被[[土星]]鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[土衛三十五]]（Daphnis）
* [[土衛三十二]]（Methone）
* [[土衛三十三]]（Pallene）
* [[土衛十二]]（Helene）
* [[土衛三十四]]（Polydeuces）
{{colend}}

'''可能被[[天王星]]鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[天衛六]]（Cordelia）
* [[天衛七]]（Ophelia）
* [[天衛八]]（Bianca）
* [[天衛九]]（Cressida）
* [[天衛十]]（Desdemona）
* [[天衛十一]]（Juliet）
* [[天衛十二]]（Portia）
* [[天衛十三]]（Rosalind）
* [[天衛二十七]]（Cupid）
* [[天衛十四]]（Belinda）
* [[天衛二十五]]（Perdita）
* [[天衛十五]]（Puck）
* [[天衛二十六]]（Mab）
* [[天衛四]]（Oberon）
{{colend}}

'''可能被[[海王星]]鎖定'''
{{colbegin|colwidth=18em}}
* [[海衛三]]（Naiad）
* [[海衛四]]（Thalassa）
* [[海衛五]]（Despina）
* [[海衛六]]（Galatea）
* [[海衛七]]（Larissa）
{{colend}}

===系外太陽系===
* [[半人馬座α Bb|南門二Bb]]（半人馬座α Bb）可能被它的母恆星[[南門二|南門二B]]潮汐鎖定。

* [[格利澤581c]],<ref>{{cite news | url=http://www.usatoday.com/printedition/news/20070425/1a_bottomstrip25_dom.art.htm | work=USA Today | title=Out of our world: Earthlike planet | first=Dan | last=Vergano | date=2007-04-25 | accessdate=2010-05-25 | deadurl=no | archiveurl=https://web.archive.org/web/20100714080733/http://www.usatoday.com/printedition/news/20070425/1a_bottomstrip25_dom.art.htm | archivedate=2010-07-14 | df= }}</ref> [[格利澤581g]],<ref>{{Cite web|url=http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/09/astronomers-find-most-earth-like.html|title=Astronomers Find Most Earth-like Planet to Date|publisher=[[Science (journal)|Science]], USA|date=September 29, 2010|accessdate=September 30, 2010|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20101002020745/http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/09/astronomers-find-most-earth-like.html|archivedate=2010年10月2日|df=}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.telegraph.co.uk/science/space/8033124/Gliese-581g-the-most-Earth-like-planet-yet-discovered.html|title=Gliese 581g the most Earth like planet yet discovered|publisher=[[The Daily Telegraph]], UK|date=September 30, 2010|accessdate=September 30, 2010|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20101002104629/http://www.telegraph.co.uk/science/space/8033124/Gliese-581g-the-most-Earth-like-planet-yet-discovered.html|archivedate=2010年10月2日|df=}}</ref> [[格利澤581b]],{{citation needed|date=August 2010}}和[[格利澤581e]]{{citation needed|date=August 2010}}可能被它們的母恆星[[格利澤581]]潮汐鎖定。[[格利澤581d]]幾乎可以確定被母恆星[[格利澤581]]鎖定，不是2：1共振，就是3：2共振<ref>{{Cite web |url=http://adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...761...83M |author=Makarov, V. V.; Berghea, C.; and Efroimsky, M. 2012. |title=Dynamical Evolution and Spin–Orbit Resonances of Potentially Habitable Exoplanets: The Case of GJ 581d." The Astrophysical Journal, Volume 761, Issue 2, article id. 83, 14 pp. (2012). |access-date=2014-09-02 |archive-date=2019-08-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20190825025237/http://adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...761...83M |dead-url=no }}</ref>
*[[比鄰星b|比邻星b]]可能被它的母星[[比邻星]]潮汐锁定。

==相關條目==
* [[角動量]]
* {{link-en|重力梯度穩定|Gravity-gradient stabilization}}
* [[軌道共振]]
* [[行星適居性]]
* [[洛希極限]]
* [[同步軌道]]
* [[潮汐加速]]

==參考資料==
{{reflist|30em|refs=
<ref name="rotation">{{cite journal |last1=Makarov |first1=Valeri V. |last2=Berghea |first2=Ciprian |last3=Efroimsky |first3=Michael |title=Dynamical evolution and spin-orbit resonances of potentially habitable exoplanets. The case of GJ 581d |doi=10.1088/0004-637X/761/2/83 |bibcode=2012arXiv1208.0814M |year=2012 |journal=[[The Astrophysical Journal]] |volume=761 |arxiv=1208.0814 |display-authors=1 }}</ref>
}}

{{DEFAULTSORT:Tidal Locking}}
[[Category:天體力學]]
[[Category:軌道]]
[[Category:潮汐力]]