Hãy quan sát Mặt Trăng trong vài đêm, bạn sẽ thấy những dấu vết quen thuộc dường như vẫn nằm nguyên chỗ cũ. Những vùng rộng lớn tối màu trên đồng bằng Mặt Trăng vẫn hướng về Trái Đất, khiến ta có cảm giác Mặt Trăng không tự quay. Nhưng thực ra nó có quay: Mặt Trăng tự quay quanh trục một vòng trong mỗi lần quay quanh Trái Đất. Sự đồng bộ này, gọi là khóa thủy triều, là lý do chúng ta gần như luôn nhìn thấy cùng một bán cầu thay vì lần lượt thấy mọi phía.
Bán cầu đối diện thường được gọi là mặt khuất. Nơi đây không chìm trong bóng tối vĩnh viễn. Ánh sáng Mặt Trời chiếu tới hầu hết bề mặt Mặt Trăng vào những thời điểm khác nhau trong chu kỳ Mặt Trăng, mặc dù một số hố sâu gần cực vẫn luôn chìm trong bóng tối. Hình học quỹ đạo của Mặt Trăng, sự tự quay và một chuyển động lắc biểu kiến nhỏ đều góp phần lý giải những gì chúng ta có thể quan sát.
Một vòng tự quay cho mỗi vòng quỹ đạo
Mặt Trăng mất 27.32166 ngày để hoàn thành một vòng tự quay so với các ngôi sao ở xa, và 27.32166 ngày để quay một vòng quanh Trái Đất. Vì hai chu kỳ này khớp nhau, gần như cùng một mặt luôn hướng về hành tinh của chúng ta. Nếu Mặt Trăng hoàn toàn không tự quay, vị trí thay đổi của nó trên quỹ đạo sẽ lần lượt đưa các kinh tuyến khác nhau vào tầm mắt. Thay vào đó, nó đều đặn tự quay khi di chuyển, giữ nhịp với quỹ đạo.
Một phép so sánh dễ hình dung là đi vòng quanh một người trong khi vẫn hướng mặt về phía họ. Bạn phải quay một vòng trong suốt quãng đường, dù người đối diện vẫn luôn nhìn thấy cùng một phía đầu bạn. Chuyển động tự quay của Mặt Trăng khó nhận ra hơn vì không có địa điểm mốc nào trên Trái Đất giúp ta dễ dàng nhận thấy nó từ đêm này sang đêm khác.
Chu kỳ tự quay 27.32166 ngày không phải là khoảng thời gian giữa hai lần trăng tròn liên tiếp. Chu kỳ pha này kéo dài 29.53059 ngày vì trong lúc Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, hệ Trái Đất–Mặt Trăng cũng di chuyển quanh Mặt Trời. Sau khi hoàn thành một vòng quỹ đạo, Mặt Trăng cần đi thêm một đoạn nhỏ để trở lại cùng vị trí tương quan với Mặt Trời và Trái Đất. Hướng dẫn về các pha Mặt Trăng giải thích cách những góc thay đổi giữa Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng tạo ra các pha mà chúng ta quan sát được.
Các lực thủy triều đã đồng bộ hóa Mặt Trăng như thế nào
Khóa thủy triều là kết quả của lực hấp dẫn tác dụng lên một thiên thể đang tự quay trong thời gian dài. Lực hấp dẫn của Trái Đất kéo phía gần Trái Đất của Mặt Trăng mạnh hơn phía xa. Sự chênh lệch đó làm Mặt Trăng hơi biến dạng, tạo nên biến dạng thủy triều. Khi chuyển động tự quay và quỹ đạo của Mặt Trăng chưa đồng bộ, phần biến dạng này không hoàn toàn thẳng hàng với hướng Trái Đất–Mặt Trăng. Mômen lực hấp dẫn sinh ra từ đó làm thay đổi chuyển động tự quay của Mặt Trăng, trong khi ma sát bên trong làm tiêu hao năng lượng quay.
Theo thời gian, những tác động này làm chậm chuyển động tự quay của Mặt Trăng cho đến khi nó mất cùng khoảng thời gian để tự quay một vòng và quay hết một vòng quỹ đạo. Ở trạng thái đồng bộ đó, phần biến dạng thủy triều luôn gần như thẳng hàng với Trái Đất, vì vậy mômen lực lặp lại làm thay đổi chuyển động tự quay giảm đi đáng kể. Khóa thủy triều không phải là một lực đặc biệt giữ cố định một mặt; đó là kết quả ổn định của chuyển động tự quay, lực hấp dẫn và sự mất năng lượng.
Các hiệu ứng thủy triều vẫn có vai trò trong hệ Trái Đất–Mặt Trăng. Mặt Trăng đang lùi xa Trái Đất với tốc độ khoảng 3.8 cm mỗi năm, là hệ quả của tương tác thủy triều truyền mômen động lượng trong hệ. Chuyển động chính xác này không thể nhận ra chỉ qua một lần quan sát, nhưng nó gắn chuyển động tự quay đã bị khóa của Mặt Trăng với sự trao đổi liên tục giữa quỹ đạo và chuyển động tự quay.
Mặt khuất không phải là mặt tối
Mặt khuất đơn giản là bán cầu hướng ra xa Trái Đất. Khi Mặt Trăng quay quanh hành tinh của chúng ta, mặt này vẫn nhận ánh sáng Mặt Trời như mặt hướng về Trái Đất. Khi trăng tròn, mặt hướng về Trái Đất được chiếu sáng còn mặt khuất phần lớn hướng ra xa Mặt Trời; khi trăng non, mặt khuất được chiếu sáng trong khi mặt hướng về Trái Đất phần lớn chìm trong bóng tối. Chu kỳ này đảo ngược khi Mặt Trăng chuyển qua các pha.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải mọi nơi trên Mặt Trăng đều luân phiên giữa ánh sáng Mặt Trời và bóng tối. Gần các cực, Mặt Trời luôn ở thấp phía trên đường chân trời. Một số đáy hố sâu được vành hố che chắn kỹ đến mức ánh sáng Mặt Trời không bao giờ chiếu tới, tạo thành những vùng luôn chìm trong bóng tối. Những nơi đặc biệt này là hệ quả của địa hình tại chỗ và góc chiếu thấp của Mặt Trời, chứ không phải do chúng nằm ở mặt khuất.
Vì vậy, cụm từ “mặt tối của Mặt Trăng” có thể gây hiểu lầm. Cụm từ này đôi khi được dùng theo nghĩa không chính thức để chỉ mặt khuất, nhưng không mô tả một bán cầu không bao giờ nhận được ánh sáng Mặt Trời. Để xem ngày và giờ của các pha thay đổi như thế nào trong chu kỳ, hãy dùng lịch các pha Mặt Trăng theo từng tháng.
Một chuyển động lắc nhỏ giúp hé lộ thêm bề mặt
Theo thời gian, Trái Đất không chỉ nhìn thấy đúng một nửa Mặt Trăng. Quỹ đạo của Mặt Trăng hơi elip nên tốc độ quỹ đạo thay đổi: nó di chuyển nhanh hơn khi ở gần Trái Đất nhất và chậm hơn khi ở xa. Tốc độ tự quay của nó gần như không đổi, vì vậy sự thay đổi tốc độ quỹ đạo khiến Mặt Trăng có vẻ lắc nhẹ từ bên này sang bên kia. Chuyển động biểu kiến này được gọi là chương động theo kinh độ.
Chương động theo vĩ độ có nguyên nhân khác. Trục tự quay của Mặt Trăng nghiêng 1.54 độ so với mặt phẳng hoàng đạo, còn quỹ đạo của nó nghiêng 5.14 độ so với mặt phẳng hoàng đạo. Kết hợp lại, các góc này cho phép người quan sát nhìn xa hơn một chút qua cực bắc hoặc cực nam của Mặt Trăng vào những thời điểm khác nhau trên quỹ đạo. Khoảng cách của Mặt Trăng và vị trí của người quan sát trên Trái Đất cũng làm góc nhìn thay đổi đôi chút.
Chương động không làm lộ toàn bộ mặt khuất cùng một lúc. Theo thời gian, nó cho phép người quan sát nhìn lấp ló qua rìa biểu kiến. Tổng cộng, khoảng 59 percent bề mặt Mặt Trăng có thể được nhìn thấy từ Trái Đất vào một thời điểm nào đó, dù tại một thời điểm bất kỳ, không quá khoảng một nửa bề mặt hiện ra trước mắt. Sự hé lộ từ từ này là lý do các bản đồ chi tiết về bề mặt Mặt Trăng bao phủ cả những vùng nằm ngoài mặt thường xuất hiện ở trung tâm tầm nhìn.
Những điều có thể quan sát từ Trái Đất
Một cách hữu ích để quan sát hiệu ứng này là so sánh một đặc điểm dễ nhận biết gần rìa Mặt Trăng vào những ngày khác nhau. Chương động làm thay đổi rìa biểu kiến, vì vậy một hố va chạm hoặc vùng đồng bằng tối gần rìa có thể trông lộ ra nhiều hơn vào ngày này so với ngày khác. Nếu không có kính thiên văn hoặc ống nhòm, sự thay đổi này khó nhận ra; hướng Mặt Trăng thay đổi trên bầu trời cũng có thể khiến việc so sánh trở nên khó khăn. Hãy ghi nhớ cùng một đặc điểm và so sánh những lần quan sát ở các pha tương tự.
Góc nhìn phụ thuộc vào nơi bạn ở trên Trái Đất cũng như thời điểm quan sát. Bảng thông tin Mặt Trăng theo thành phố cung cấp pha và độ chiếu sáng tại địa phương, thời điểm mọc và lặn của Mặt Trăng, độ cao và phương vị, khoảng cách, cùng tình hình bầu trời và thời tiết địa phương. Để lên kế hoạch quan sát, hướng dẫn về thời điểm tốt nhất để ngắm Mặt Trăng trình bày cách pha Mặt Trăng và điều kiện tại địa phương ảnh hưởng đến thời gian Mặt Trăng ở phía trên đường chân trời. Chuyển động tự quay đồng bộ của Mặt Trăng lý giải vì sao mặt quen thuộc của nó luôn hướng về chúng ta; chương động đem đến cho những người quan sát kiên nhẫn một góc nhìn thay đổi về vùng ngay phía bên kia rìa.