ماه و حرکت آن در آسمان

مقدمه‌ای بر ستاره‌شناسی، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی (فصل یک-بخش پنج)

بعضی از ما ممکن است کمی سر به هوا به نظر برسیم! فقط به خاطر این که آسمان و چیزهایی که در آن می‌گذرد برایمان جالب است و کنجکاوی ما را بر می‌انگیزد. آشکار است که آسمان شب جزئیات بیش‌تری در دل خود دارد. بنابراین بیش‌تر نگاه جست‌وجوگر ما را به خود میخکوب می‌کند. و چشم‌گیرترین چیزی که در آسمان شب توجه بشر را به خود جلب کرده، ماه است. این روشنایی خاطرآشوب که هر شب به شکلی در آسمان پدیدار می‌شود، به طور میانگین ۳۸۴۳۹۹ کیلومتر از زمین ما فاصله دارد؛ و هر ۲۷٫۳۲۲ روز یک دور کامل در مدار بیضوی خودش به دور زمین می‌گردد.

مشاهده ماه در آسمان

تغییرات ماه در آسمان برای همه‌ی ما ملموس و آشناست. ماه پس از خورشید درخشان‌ترین شیء آسمان به شمار می‌آید که از دیرباز توجه انسان را به خود جلب کرده است. می‌دانیم که بازتاب نور خورشید از ماه سبب می‌شود که ما ماه را تابان ببینیم. به همین سبب قرار گرفتن ماه در موقعیت‌های مختلف مدارش به دور زمین موجب می‌شود که به شکل‌های مختلفی از هلال تا دایره‌ای کامل و درخشان در آسمان دیده شود. فیلم کوتاهی که در زیر آمده است حاصل کنار هم قرار گرفتن تصاویری است که در شب‌های متوالی یک ماه از سال از ماه ثبت شده است. در این فیلم می‌توانیم همه‌ی تغییرات ماه را که از روی زمین قابل مشاهده است ببینیم.

تغییرات قابل مشاهده‌ی ماه از زمین

با دقت در این فیلم درمی‌یابیم که:

همیشه یک سمت مشخص از ماه رو به زمین است.
آنچه ما در شب‌های پیاپی از ماه در آسمان می‌بینیم، از تاریکی مطلق آغاز می‌شود، سپس به صورت هلالی باریک درمی‌آید و تا یک قرص کامل درخشان پیش می‌رود؛ و در نهایت مسیر مشابهی را بازمی‌گردد تا در آسمان محو شود.
اندازه ظاهری آن هر شب کمی تغییر می‌کند.
به نظر می‌رسد کمی در جای خود تکان می‌خورد و قطب شمال آن کمی به جلو و عقب متمایل می‌شود (رخ‌گردی ماه).

در ادامه‌ی مطلب، درباره‌ی هر یک از این رخدادها توضیح مختصری خواهیم داد.

گام‌های ماه

از گام‌های مختلف ماه آغاز می‌کنیم (یا فازهای ماه – در ستاره‌شناسی اسلامی و علم نجوم ایران باستان به آن اَهِلِّه قمر نیز می‌گویند). در این بخش ترکیب زمین، خورشید و ماه را در نظر می‌گیریم. در مطالب پیشین به گردش زمین به دور خورشید، و چرخش آن حول محور خود (با زاویه کج‌شدگی ۲۳٫۵ درجه) پرداختیم. همان‌طور که زمین در فضا در حال حرکت است و به دور خود و خورشید می‌چرخد، ماه نیز به دور زمین، و هم‌زمان به دور خودش می‌گردد. درست مانند زمین، نیمی از ماه که رو به خورشید قرار می‌گیرد روشن و نیم دیگر آن که پشت به خورشید قرار می‌گیرد تاریک است. ناظری که روی زمین ایستاده است مشاهده می‌کند که ماه همیشه از غرب به سمت شرق در حرکت است. حدود بیست و نه روز طول می‌کشد تا ماه یک دور کامل به دور زمین بچرخد. نیمه‌ی اول حرکت ماه که از ماه نو تا ماه تمام (بدر) پیش می‌رود را ماه فزاینده و نیمه‌ی دوم را که از ماه تمام تا ماه تاریک پیش می‌رود ماه کاهنده می‌نامند. در طول یک دوره‌ی کامل ماه، هشت نمود مختلف از آن را از روی زمین مشاهده می‌کنیم که به آن گام‌ها یا فازهای ماه می‌گویند و در تصویر زیر آمده است:

گام‌های ماه (Phases of the Moon)

ماه نو (New Moon): نازک‌ترین هلال ماه است که چند ساعت پس از مقارنه در آسمان قابل مشاهده است. مقارنه زمانی اتفاق می‌افتد که ماه در فاصله‌ی بین زمین و خورشید قرار می‌گیرد، بنابراین سوی تاریک ماه رو به زمین است و هیچ نوری از آن به چشم ما نمی‌رسد.
هلال رو به ماه تمام (بدر) (Waxing crescent): همچنان که ماه به گردش خود به دور زمین ادامه می‌دهد، به مرور از حد فاصل بین زمین و خورشید خارج می‌شود. در این مدت زمان ماه به شکل هلال در آسمان دیده می‌شود و به مرور بخش بیشتری از آن قابل مشاهده است.
یک چهارم نخست (تربیع اول – First quarter): حدود هفت روز پس از ماه نو به طور تقریبی نیمی از ماه روشن است.
برآمدگی رو به ماه تمام (تحدب رو به بدر – Waxing gibbous): پس از روز دهم ماه به صورت دایره‌ی روشنی دیده می‌شود که به اندازه‌ی یک هلال از آن تاریک است. در این وضعیت قسمت تاریک ماه رو به غرب است.
ماه تمام (بدر – Full moon): در حدود روز چهاردهم همه‌ی سطح ماه روشن است و نسبت به زمین در سوی مقابل خورشید قرار دارد. ماه کامل همیشه به طور دقیق در روز چهاردهم رخ نمی‌دهد و ممکن است یک یا دو روز پس یا پیش از آن نیز اتفاق بیفتد.
برآمدگی به سوی ماه تاریک (تحدب به سوی محاق – Waning gibbous): در حدود روز هجدهم نیز به طور تقریبی سه چهارم سطح ماه در آسمان روشن دیده می‌شود، با این تفاوت که هلالی از ماه که تاریک است این بار در سمت شرق قرار دارد.
یک چهارم سوم (تربیع دوم – Third quarter): در این حالت نیز نیمی از ماه روشن است اما در سوی مخالفِ یک چهارم نخست.
هلال به سوی ماه تاریک (هلال به سوی محاق – Waning crescent): ماه پس از گذر از یک چهارم سوم در آسمان به صورت هلالی دیده می‌شود که رفته رفته کوچک می‌شود تا زمانی که به طور کامل از دید پنهان شود.

فاصله‌ی زمانی که طول می‌کشد تا دوباره ماه نو را در آسمان مشاهده کنیم (فاصله‌ی زمانی میان دو مقارنه) به طور متوسط حدود ۲۹٫۵۳ روز خورشیدی است که آن را یک ماه قمری یا هلالی می‌نامند.

در ویدئوهای زیر می‌توانید چگونگی گردش ماه به دور زمین، نوری که از خورشید به آن می‌تابد و نحوه‌ی تشکیل گام‌های مختلف ماه را مشاهده کنید.

ویدئوی زیر (که یک شبیه‌سازی از حرکت ماه به دور زمین است) نشان می‌دهد که گام‌های مختلف ماه چگونه در موقعیت‌های مختلف مداری ماه به دور زمین اتفاق می‌افتند.

در پویانمایی زیر نیز قسمتی از ماه که در سایه‌ی زمین قرار می‌گیرد به رنگ قرمز نمایش داده شده است. اگر به خوبی در این پویانمایی دقت کنید می‌توانید ناحیه‌ی سایه و نیم‌سایه را روی ماه مشاهده کنید.

موقعیت ماه در آسمان

زمانی که ماه کامل است، اگر به هنگام غروب آفتاب (یا به طور دقیق‌تر ساعت ۶ عصر) به آسمان نگاه کنیم، خورشید از سمت غرب در حال پایین رفتن است. درست در همین زمان در سوی دیگر آسمان و در افق شرقی می‌توانیم ماه را ببینیم. شش ساعت بعد زمین به اندازه‌ی یک چهارم کره به دور خود چرخیده است و ماه درست در مقابل شما قرار می‌گیرد؛ و شش ساعت پس از آن، حدود ۶ صبح در حالی که خورشید از شرق طلوع می‌کند، ماه در افق غربی قابل مشاهده است.

ماه نو زمانی اتفاق می‌افتد که ماه، زمین و خورشید روی یک خط مستقیم قرار می‌گیرند، در این حالت همان‌طور که پیش‌تر گفتیم روی تاریک ماه به سمت زمین است. در این حالت هرچند ما نمی‌توانیم ماه را ببینیم، می‌دانیم که حدود ساعت ۶ صبح طلوع می‌کند، ظهر از میان آسمان می‌گذرد و حدود ۶ عصر غروب می‌کند.

به این ترتیب در مدت زمان یک ماه، ما شب‌ها ماه را در آسمان در موقعیت‌های مختلفی می‌بینیم. در ابتدای دوره‌ی ماه، هلال آن را تنها پس از غروب در غرب، یک چهارم نخست را هنگام غروب در میان آسمان، و ماه کامل را هنگاه غروب آفتاب در حال بالا آمدن از شرق و در نیمه شب در بالای آسمان مشاهده خواهیم کرد.

اگر به زمین، ماه و خورشید از بالا نگاه کنیم می‌بینیم که رخ دادن گام‌های مختلف ماه به نوعی از تغییر زاویه‌ی میان ماه، زمین و خورشید نتیجه می‌شود. اگر زمین را رأس زاویه در نظر بگیریم، مشاهده می‌کنیم که به هنگام ماه نو زاویه‌ی میان ماه و خورشید صفر است، در یک چهارم نخست به ۹۰ درجه می‌رسد، هنگام ماه کامل ۱۸۰ درجه و در یک چهارم سوم ۲۷۰ درجه است. تصویر زیر می‌تواند به درک بهتر این زاویه‌ها و اتفاقی که در موقعیت‌های مختلف چرخش ماه به دور زمین رخ می‌دهد کمک کند.

زاویه‌ی میان ماه و خورشید و گام‌های ماه

چرا همیشه یک طرف ماه را می‌بینیم؟

ماه به دور خود می‌چرخد، بنابراین ما انتظار داریم بتوانیم تمام سطح آن را در طول این چرخش ببینیم. اما چرا همیشه یک سوی ماه رو به زمین است؟

ماه همزمان با چرخش به دور خود، به دور زمین نیز می‌گردد و سرعت چرخش آن به دور خود بر سرعت گردش آن به دور زمین منطبق است. به همین دلیل از روی زمین همیشه فقط یک طرف ماه دیده می‌شود. از دید ناظری که روی ماه ایستاده است این موضوع حساسیت بیش‌تری دارد. اگر ناظر در نیمکره‌ای از ماه ایستاده باشد که ما می‌بینیم، همیشه زمین را در آسمان می‌بیند و اگر برعکس در سوی مخالف آن باشد، شاید هیچ گاه از وجود زمین آگاه نشود.

با توجه به آن‌چه گفته شد، ما از روی زمین باید بتوانیم تنها پنجاه درصد از سطح ماه را ببینیم. اما در حقیقت در طول یک ماه کمی بیش‌تر از پنجاه درصد از سطح ماه از زمین قابل مشاهده است.

اگر تصویر ماه را در شب‌های متوالی کنار هم قرار دهیم به نظر می‌رسد ماه در جای خود کمی تکان می‌خورد، این تغییرات نتیجه‌ی پدیده‌ای است که آن را رخ‌گردی (librations) می‌نامند.

رخ‌گردی ماه

نخستین ویدئو در این صفحه تغییرات ماه را در مدت زمان یک ماه نشان می‌دهد. با دقت در این ویدئو می‌بینیم که گویی قطب شمال ماه به جلو و عقب حرکت می‌کند. پیش از این گفتیم که محور چرخش زمین به دور خود یعنی قطب شمال آن به اندازه‌ی ۲۳٫۵ درجه کج شده است. کج‌شدگی محور چرخش زمین به دور خود می‌تواند به توجیه این پدیده کمک کند. همان‌طور که در ویدئوی زیر مشخص است، بیش‌ترین میزان نوسان ماه در موقعیت مکانی ساعت ۳ و ۹ از تصویر اتفاق می‌افتد. زمانی که ماه در موقعیت ساعت ۳ قرار دارد، زمین که ما روی آن ایستاده‌ایم و به ماه نگاه می‌کنیم به سمت چپ منحرف شده است یعنی انحراف محور آن به سمت چپ است؛ و زمانی که ماه در موقعیت ساعت ۹ قرار می‌گیرد، انحراف محور زمین به سمت راست است. این نکته به این معنا نیست که جهت کج‌شدگی محور زمین یا اندازه آن تغییر می‌کند، بلکه به این سبب است که زمین به دور خود چرخیده است و ما از سوی مخالف به آسمان نگاه می‌کنیم.

در این پویانمایی قطب شمال، استوا و نصف‌النهار ماه مشخص شده است. نقطه‌ی آبی رنگ نشان‌دهنده‌ی نقطه‌ای روی سطح ماه است که زمین درست بالای سر ناظر قرار می‌گیرد، یعنی در سرسو (sub-Earth point). نقطه‌ی زردرنگ نیز موقعیتی را نشان می‌دهد که خورشید در سرسو قرار می‌گیرد (subsolar point). زمانی که نقطه آبی رنگ به سمت چپ نصف‌النهار حرکت می‌کند، مقدار بیش‌تری از بخش غربی ماه به سمت ما می‌چرخد؛ و زمانی که به بالای استوا می‌رود، مقدار کمی ورای قطب شمال ماه نیز از روی زمین قابل مشاهده است.

همواره یک نیمه از ماه تحت تأثیر تابش خورشید قرار دارد و نقطه‌ی زردرنگ مرکز منطقه‌ی تحت تابش را نشان می‌دهد. ماه کامل زمانی اتفاق می‌افتد که نقطه‌ی زردرنگ (subsolar point) درست در نقطه‌ی وسط دیسک ماه (که از زمین مشاهده می‌شود) قرار می‌گیرد؛ و زمانی که این نقطه درست در سوی مقابل قرار می‌گیرد ما از روی زمین می‌توانیم ماه نو را ببینیم.

پدیده‌ی رخ‌گردی موجب می‌شود ما بتوانیم در طول یک ماه حدود ۵۹ درصد از سطح کل ماه را از روی زمین مشاهده کنیم.

مدار ماه به دور زمین و اوج و حضیض ماه

مدار گردش ماه به دور زمین یک دایره‌ی کامل نیست و کمی بیضی‌شکل است. اندکی بیضی بودن این مدار موجب شده است تا فاصله‌ی ماه و زمین در طول یک دور گردش ماه به دور زمین تغییر کند. فاصله‌ی میان زمین و خورشید بین ۳۵۶۴۰۰ تا ۴۰۶۷۰۰ کیلومتر تغییر می‌کند. در هر مدار گردش ماه، نزدیک‌ترین نقطه به زمین را حضیض و دورترین را اوج می‌نامند. زمانی که ماه در حضیض قرار دارد به زمین نزدیک‌تر است، بنابراین بزرگ‌تر، و زمانی که در اوج قرار دارد کوچک‌تر دیده می‌شود. در پویانمایی زیر می‌توانید مدار گردش ماه به دور زمین و میزان انحراف آن از دایره را ببینید. در انتهای ویدئو نیز گذر سایه‌ی ماه از روی زمین و پدیده‌ی خورشیدگرفتگی نشان داده شده است که در مطلب بعدی بیشتر به آن می‌پردازیم.

حرکت ماه به دور خورشید

همان‌طور که ماه به دور زمین می‌چرخد، همراه با زمین به دور خورشید نیز می‌چرخد. بنابراین می‌توانیم مدار حرکت ماه به دور خورشید را نیز ترسیم کنیم. این مسیر چیزی شبیه به تصویر زیر است:

مدار گردش ماه به دور خورشید- credit: Encyclopædia Britannica

نکته‌ی مهمی که باید در نظر بگیریم این است که فاصله‌ی زمین تا خورشید حدود ۴۰۰ برابر بزرگ‌تر از فاصله‌ی ماه تا زمین است. بنابراین میزان انحراف این مدار از مدار گردش زمین به دور خورشید بسیار بسیار کوچک است و مقیاس این تصویر از آن‌چه در واقعیت رخ می‌دهد بسیار متفاوت است. از طرف دیگر به جز نیروی گرانش زمین، ماه در میدان گرانشی خورشید نیز قرار دارد. با توجه به آن‌چه در تصویر زیر می‌بینید، برآیند این نیروها زمانی که ماه در سمت خورشید یا در سمت مخالف باشد با هم متفاوت است.

برآیند نیروی گرانشی وارد بر ماه از سوی زمین و خورشید

بنابراین این مدار بیشتر به سمت خورشید کشیده شده است و به عبارتی بیشتر مقعر است تا محدب. نکته‌ی دیگری که باید در نظر بگیریم بیضی شکل بودن مدار حرکت ماه به دور زمین است. بنابراین آن‌چه در این تصاویر می‌بینیم تنها تقریبی برای درک این رخداد طبیعی است. در مقیاس واقعی مدار گردش ماه به دور خورشید بسیار به مدار گردش زمین به دور خورشید نزدیک است.