Эффект Ярковского – О'Кифа – Радзиевского – Пэддака - Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect

Сферический астероид с двумя клиновидными выступами. Переизлученный свет от плавника «B» имеет ту же величину, что и плавник «A», но не параллелен падающему свету. Это создает крутящий момент на объекте.

Эффект Ярковского-О'Киф-Радзиевский-Paddack , или эффект YORP для краткости, изменяет состояние вращения небольшого астрономического тела - то есть, в организме скорость вращения и наклон его полюса (S) - из - за рассеяния из солнечное излучение от его поверхности и испускание собственного теплового излучения .

Эффект YORP обычно рассматривается для астероидов с их гелиоцентрической орбитой в Солнечной системе . Эффект отвечает за создание двойных и падающих астероидов, а также за изменение полюса астероида в сторону 0 ° , 90 ° или 180 ° относительно плоскости эклиптики и, таким образом, изменение его гелиоцентрической скорости радиального дрейфа из-за эффекта Ярковского .

Срок

Этот термин был введен Дэвидом П. Рубинкам в 2000 году в честь четырех важных участников концепции, лежащей в основе так называемого эффекта YORP. В XIX веке Иван Ярковский понял, что тепловое излучение, исходящее от тела, нагретого Солнцем, уносит не только тепло, но и импульс . В современной физике каждый испускаемый фотон обладает импульсом p = E / c, где E - его энергия, а c - скорость света . Владимир Радзиевский применил эту идею к вращению, основанному на изменении альбедо, и Стивен Пэддак понял, что форма является гораздо более эффективным средством изменения скорости вращения тела. Стивен Паддак и Джон О'Киф предположили, что эффект YORP приводит к вращательному взрыву и, неоднократно подвергаясь этому процессу, маленькие асимметричные тела в конечном итоге превращаются в пыль.

Физический механизм

В принципе, электромагнитное излучение взаимодействует с поверхностью астероида тремя важными способами: излучение Солнца (1) поглощается и (2) диффузно отражается поверхностью тела, а внутренняя энергия тела (3) излучается в виде теплового излучения. радиация . Поскольку фотоны обладают импульсом , каждое из этих взаимодействий приводит к изменениям углового момента тела относительно его центра масс . Если рассматривать только короткий период времени, эти изменения очень малы, но в течение более длительных периодов времени эти изменения могут объединяться со значительными изменениями углового момента тела. Для тел, находящихся на гелиоцентрической орбите , соответствующим длительным периодом времени является орбитальный период (т.е. год), поскольку у большинства астероидов периоды вращения (т.е. дни) короче, чем их орбитальные периоды. Таким образом, для большинства астероидов эффект YORP представляет собой вековое изменение состояния вращения астероида после усреднения моментов солнечного излучения сначала за период вращения, а затем за период обращения.

Наблюдения

В 2007 году было получено прямое наблюдательное подтверждение эффекта YORP на небольших астероидах 54509 YORP (тогда обозначенных как 2000 PH 5 ) и 1862 Apollo . Скорость вращения 54509 YORP удвоится всего за 600000 лет, а эффект YORP может также изменить наклон оси и скорость прецессии , так что весь набор явлений YORP может отправить астероиды в интересные резонансные спиновые состояния и помогает объяснить существование двойные астероиды .

Наблюдения показывают, что астероиды диаметром более 125 км имеют скорость вращения, соответствующую максвелловскому распределению частот , в то время как более мелкие астероиды (в диапазоне размеров от 50 до 125 км) показывают небольшой избыток быстрых ротаторов. Самые маленькие астероиды (размером менее 50 км) демонстрируют явный избыток очень быстрых и медленных ротаторов, и это становится еще более выраженным по мере измерения популяций меньшего размера. Эти результаты предполагают, что один или несколько механизмов, зависящих от размера, уменьшают заселенность центра распределения скорости вращения в пользу крайностей. Эффект YORP - главный кандидат. Сам по себе он не способен существенно изменить скорость вращения крупных астероидов, поэтому для таких объектов, как 253 Mathilde, необходимо искать другое объяснение .

В конце 2013 года наблюдался разрушение астероида P / 2013 R3 , вероятно, из-за высокой скорости вращения из-за эффекта YORP.

Примеры

Предположим, что вращающийся сферический астероид имеет два клиновидных ребра, прикрепленных к его экватору, облучаемых параллельными лучами солнечного света. Сила реакции от фотонов, исходящих от любого заданного элемента поверхности сферического ядра, будет перпендикулярна поверхности, так что крутящий момент не создается (все векторы силы проходят через центр масс).

Однако излучаемые тепловым излучением фотоны, переизлучаемые со сторон клиньев, могут создавать крутящий момент, поскольку векторы нормали не проходят через центр масс. Оба ребра имеют одинаковое поперечное сечение для падающего света (они имеют одинаковую высоту и ширину) и поэтому поглощают и отражают одинаковое количество энергии и создают одинаковую силу. Однако из-за того, что поверхности ребер наклонены, нормальные силы переизлученных фотонов не компенсируются. На диаграмме исходящее излучение Fin A создает экваториальную силу, параллельную падающему свету, и не имеет вертикальной силы, но сила Fin B имеет меньшую экваториальную составляющую и вертикальную составляющую. Неуравновешенные силы на двух ребрах приводят к крутящему моменту и вращению объекта. Крутящий момент исходящего света не усредняется даже за полный оборот, поэтому вращение со временем ускоряется.

Следовательно, объект с некоторой асимметрией «ветряной мельницы» может подвергаться воздействию незначительных крутящих сил, которые будут стремиться раскручивать его вверх или вниз, а также заставлять его ось вращения прецессировать . Эффект YORP равен нулю для вращающегося эллипсоида, если нет неровностей в температуре поверхности или альбедо .

В долгосрочной перспективе изменение угла наклона и скорости вращения объекта может изменяться случайным, хаотическим или регулярным образом, в зависимости от нескольких факторов. Например, если предположить, что Солнце остается на своем экваторе , астероид 951 Гаспра с радиусом 6 км и большой полуосью 2,21 а.е. , за 240 млн лет (240 миллионов лет) изменится с периода вращения с 12 часов на 6 часов. h и наоборот. Если бы 243 Ида имели те же значения радиуса и орбиты, что и Гаспра, оно бы вращалось вверх или вниз в два раза быстрее, в то время как телу формы Фобоса потребовалось бы несколько миллиардов лет, чтобы изменить свое вращение на ту же величину.

Размер, а также форма влияют на степень эффекта. Более мелкие объекты будут вращаться вверх или вниз намного быстрее. Если бы Гаспра был меньше в 10 раз (до радиуса 500 м), его вращение уменьшилось бы вдвое или вдвое всего за несколько миллионов лет. Точно так же эффект YORP усиливается для объектов, расположенных ближе к Солнцу. При 1 а.е. Гаспра удвоит / уменьшит вдвое скорость вращения всего за 100000 лет. Через миллион лет его период может сократиться до ~ 2 часов, после чего он может начать распадаться. Согласно модели 2019 года, эффект YORP, вероятно, вызовет «широко распространенную фрагментацию астероидов», поскольку Солнце расширяется до светящегося красного гиганта .

Это один из механизмов, посредством которого могут формироваться двойные астероиды , и он может быть более распространенным, чем столкновения и близкие к планетам приливные разрушения как основные средства образования двойных звезд.

Позже астероид 2000 PH 5 был назван 54509 YORP в честь его участия в подтверждении этого явления.

Смотрите также

Ноты

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешние ссылки