Drei Aufnahmen des Mondes nebeneinander.

Warum wir immer nur eine Seite des Mondes sehen

Von der Erde aus ist die Rückseite des Mondes nie zu sehen. Die Ursache für diese gebundene Rotation des Trabanten ist ein Effekt der Gezeitenkräfte, die von der Erde ausgeübt werden. Sie haben die Eigenrotation des Mondes nach und nach abgebremst.

Wann immer der Mond am Himmel zu sehen ist, wendet er uns Betrachtern auf der Erde dieselbe Seite zu. Die Gründe dafür liegen in Gezeitenkräften, die unser Planet auf seinen Trabanten ausübt – und in dessen Reaktion. Generell werden Gezeitenkräfte durch räumliche Unterschiede der Gravitationskraft hervorgerufen. Wie genau, lässt sich aus dem Gravitationsgesetz ablesen: Die Stärke der Kraft, mit der die Erde den Mond an jedem einzelnen Punkt anzieht, hängt von der Entfernung zwischen der Erde und diesem Punkt ab. Weil die Gravitationskraft mit der Entfernung abnimmt, wird die erdzugewandte Seite stärker angezogen als der Mittelpunkt des Mondes. Dort greift die Kraft wiederum stärker an als auf seiner Rückseite. Die Differenzen in der Gravitationskraft an den verschiedenen Punkten ergeben die Gezeitenkräfte, durch die sich der gesamte Mond verformt: Es entstehen zwei Aufwölbungen – eine auf der erdzugewandten Seite und eine auf der Rückseite.

Infografik. In zwei Teilgrafiken blickt man jeweils von oben auf den Nordpol der Erde, in einiger Entfernung der Mond. Beide Male ist der Mond eiförmig verformt. In der linken Teilgrafik liegen die Ausbeulungen des Mondes schräg zur Verbindungslinie Erde-Mond, in der rechten Teilgrafik liegen die Ausbeulungen in einer Linie mit der Verbindungslinie Erde-Mond.
Der Weg zur gebundenen Rotation

Wissenschaftler nehmen an, dass der Mond kurz nach seiner Entstehung vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren viel schneller um die eigene Achse rotierte als heute. Seine Eigendrehung war zudem schneller als die der Erde, sodass die beiden Beulen ständig um den Mondkörper herumwanderten. Diese permanente Verformung blieb nicht ohne Folgen. Die Beulen waren nämlich nicht genau entlang der Verbindungslinie zwischen Erde und Mond ausgerichtet, sondern leicht dazu versetzt. Denn bis die Aufwölbungen geformt waren, hatte sich der Mond schon ein Stück weitergedreht.

Die Gravitationskraft der Erde, die an den beiden Beulen des Mondes gleichsam wie mit einer Hebelwirkung angriff, bremste dessen Rotation ab. Das Ende dieses Prozesses sehen wir heute: Der Mond dreht sich genauso schnell um sich selbst wie um die Erde – und zeigt dieser darum ständig dieselbe Seite. Diese Eigenschaft wird als gebundene Rotation bezeichnet. Erst im Jahr 1959 gelang mit dem Überflug von Lunik 3, einer sowjetischen Raumsonde, eine fast vollständige Aufnahme der Mondrückseite. Zuvor konnten sich die Menschen kein Bild davon machen.

Nebenwirkungen

Die Reaktion des Mondes auf die Gezeitenkräfte hatte eine interessante Nebenwirkung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung entfernte sich der Mond mit sinkender Rotationsrate immer weiter von der Erde. Hätte sich der Mond anfangs langsamer um die Erde als um sich selbst gedreht, so hätten sich die Gezeitenkräfte in umgekehrter Richtung ausgewirkt: Die Eigenrotation wäre beschleunigt worden und der Orbit hätte sich verengt. Doch auch in diesem Fall wäre das Endergebnis die gebundene Rotation.

Die Gezeitenwirkung ist wechselseitig. Mit den Gezeiten, die der Mond auf der Erde auslöst, wird allmählich die Erdrotation gebremst – genauso wie umgekehrt beim Mond. Die Dauer eines Tages wird dadurch pro Jahr um ungefähr 15 Millionstel Sekunden länger. Die Erde reagiert wegen des Größenunterschieds allerdings viel träger auf die Gezeitenkräfte als der Mond. Tatsächlich würden sich Erde und Mond aber schließlich stets die gleiche Seite zuwenden. Bis es dazu käme, hätte sich die Sonne im Lauf ihrer Entwicklung allerdings schon längst zu einem Riesenstern aufgebläht und unseren Planeten verschluckt.

Schwammähnliches Gebilde vor dunklem Hintergrund.
Saturnmond Hyperion

Doch Astronomen vermuten, dass zwei Himmelskörper am Rand unseres Sonnensystems diesen Zustand bereits erreicht haben: Pluto und sein Trabant Charon. Ihre Rotationsraten haben sich deshalb schneller angepasst, weil ihr Größenunterschied viel kleiner ist als der zwischen Mond und Erde. Auch bei vielen Doppelsternen lässt sich eine wechselseitig gebundene Rotation nachweisen. Es gibt viele weitere Fälle gebundener Rotation. Fast alle planetennahen Monde im Sonnensystem zeigen ständig mit derselben Seite zu ihrem Planeten, so zum Beispiel die vier größten Monde um Jupiter. 16 Saturnmonde verhalten sich ebenso. Anders Hyperion: Die Rotation des unregelmäßig geformten Saturnmondes verändert sich auf chaotische Weise, weil er nicht nur durch die Schwerkraft des Saturns, sondern auch durch das Gravitationsfeld des benachbarten Saturnmonds Titan verformt wird.

Ein ungewöhnlicher Fall ist der Planet Merkur: Er dreht sich während zwei Umläufen um die Sonne dreimal um sich selbst. Das ist ein Spezialfall der gebundenen Rotation. Auch bei diesem 2:3-Rhythmus weist am sonnennächsten Punkt des Orbits immer eine Gezeitenwölbung zur Sonne. Die Ursache für das ungewöhnliche Verhältnis zwischen Rotationsrate und Umlaufzeit ist wahrscheinlich die stark elliptische Umlaufbahn des Planeten: Am sonnennächsten Punkt ist Merkur 46 Millionen Kilometer vom Zentralgestirn entfernt, am sonnenfernsten sind es 70 Millionen Kilometer.

Es gibt übrigens noch eine weitere Nebenwirkung der Gezeitenkräfte. Je stärker Himmelskörper dadurch verformt werden, desto mehr erwärmen sie sich. Die Gezeitenkräfte, die vom Jupiter und seinen Monden Europa, Ganymed und Callisto ausgehen, walken den Jupitermond Io derart heftig durch, dass in seinem Inneren durch Reibung eine gewaltige Hitze entsteht. Wissenschaftler führen den ausgeprägten Vulkanismus von Io darauf zurück. Der Jupitermond stellt allerdings eine Ausnahme dar. Bei Erde und Mond ist die Erwärmung durch die Gezeitenkräfte viel zu klein, um Gesteinsmassen zu schmelzen.