YORP-эффект

Эффект Ярковского—О'Кифа—Радзиевского—Пэддэка (сокр. ЯОРП-эффект или YORP-эффект) — это явление изменения скорости вращения небольших астероидов неправильной формы под действием солнечного света. YORP-эффект является одним из проявлений эффекта Ярковского, его более широкой вариацией, учитывающей дополнительные факторы, влияющие на тело в космическом пространстве.

Принцип действия

Схема действия YORP-эффекта на астероид асимметричной формы.

Он заключается в неравномерном нагреве Солнцем поверхности вращающихся небесных тел. Из-за вращения астероида вечерняя сторона его поверхности является наиболее нагретой, поскольку она весь день находилась в зоне действия солнечного излучения и накопила максимум солнечной энергии, в то время как утренняя сторона является наиболее холодной, поскольку она всю ночь излучала полученное ранее от Солнца тепло. Таким образом тепловое излучение с вечерней стороны астероида намного сильнее, чем с утренней. Это приводит к тому, что с вечерней стороны астероида начинает действовать реактивная сила, возникающая при излучении фотонов с поверхности астероида, которая практически не сбалансирована с утренней стороны астероида, поскольку там поверхность уже успела остыть за ночь. На сферические тела эта сила не оказывает практически никакого влияния, поскольку возникающий реактивный импульс направлен перпендикулярно к поверхности астероида, которая перпендикулярна к радиусу, то есть в случае с телом сферической формы она направлена в центр масс астероида, что может слегка сместить орбиту тела (эффект Ярковского), но не изменит скорость его вращения. В астероиде неправильной формы, возникающий импульс также всегда направлен перпендикулярно поверхности, но далеко не всегда к центру масс астероида, а зачастую по касательной к нему, что приводит к возникновению кругового момента который вызывает появление небольшого углового ускорения, что, в свою очередь, приводит к увеличению или изменению скорости вращения астероида, в зависимости от изначального направления его вращения.

Наибольшее влияние на степень действия эффекта имеют форма и размеры астероида. Как уже говорилось выше, он может оказывать влияние только на тело неправильной формы, при этом оно должно быть не слишком массивным. Заметное влияние YORP-эффект может оказать только на небольшие тела диаметром несколько километров, поскольку крупные астероиды имеют большой момент инерции и их раскрутить значительно сложнее, к тому же они чаще имеют форму, близкую к сферической. При этом надо иметь в виду, что на астероиды, по форме близкие к эллипсоидам вращения, у которых радиус в плоскости вращения везде примерно одинаков, YORP-эффект тоже влияния не оказывает, если распределение альбедо поверхности более или менее равномерно.

• Пример: Так, чтобы увеличить скорость вращения астероида (951) Гаспра в два раза при его радиусе в 6 км и орбиты с большой полуосью 2,21 а. е., потребуется около 240 млн лет, в то время как для астероида (243) Ида, если его поместить на место Гаспры, это время было бы в два раза меньше из-за более вытянутой формы этого астероида. С другой стороны, если Гаспру уменьшить в размере в 10 раз, то его скорость вращения изменится вдвое всего за несколько миллионов лет, в то время как для спутника Марса Фобоса оно наоборот составило бы аж несколько миллиардов лет.

Кроме того, степень влияния эффекта напрямую зависит от расстояния до Солнца: чем ближе к нему астероид, тем сильнее нагревается его поверхность, тем больше реактивный импульс, создаваемый вечерней стороной астероида, и тем сильнее влияние эффекта.

• Пример: Так, если астероид (951) Гаспра приблизить к Солнцу всего на 1 а. е., его скорость вращения изменится вдвое всего за 100 000 лет.

Помимо изменения скорости YORP-эффект также может вызывать изменение наклона и процессию оси вращения астероида, причём эти процессы могут происходить как регулярно, так и хаотично в зависимости от различных факторов.

YORP-эффект может являться одним из механизмов образования небольших тесных двойных систем астероидов, который может быть ещё более распространён, чем столкновения, приливные нарушения или гравитационный захват.

История

Под действием YORP-эффект меняется скорость и наклон оси вращения, эффект Ярковского вызывает изменение большой полуоси орбиты астероида.

Этот термин впервые был предложен американским геофизиком доктором David Perry Rubincam (англ.) в 2000 году^[1] и является аббревиатурой первых букв фамилий учёных, внёсших наибольший вклад в открытие и изучение данного явления. Среди них первое место по праву занимает русский учёный XIX века Иван Осипович Ярковский, который предположил, что тепловое излучение поверхности астероида, выделяемое им с ночной стороны, создаёт слабый реактивный импульс, что может привести к дополнительному ускорению астероида. В трактовке современной квантовой физики каждый фотон, испускаемый нагретой поверхностью астероида, придаёт ему импульс равный $p= hv/c$, где $hv$ — энергия фотона, а $c$ — скорость света^[2]. Эта гипотеза, известная как эффект Ярковского была впервые подтверждена на примере астероида (6489) Голевка, путём наблюдения за изменением его орбиты в течение более чем 10 лет.

Позднее уже в XX веке другой русский учёный советский астрофизик Владимир Вячеславович Радзиевский предположил, что интенсивность теплового излучения зависит от альбедо поверхности астероида^[3], а американские учёные Paddack и O’Keefe показали, что ещё большее влияние на изменение угловой скорости оказывает форма астероида. В итоге учёные пришли к выводу, что именно YORP-эффект является причиной наблюдаемого избытка быстровращающихся объектов среди небольших асимметричных астероидов, приводящего к их разрыву центробежными силами^[4][5] .

Наблюдения

В 2007 году по результатам радиолокационных наблюдений астероидов (1862) Аполлон^[6] и (54509) YORP^[7][8] YORP-эффект получил прямое подтверждение, причём в случае с последним астероидом влияние YORP-эффекта оказалось столь велико, что впоследствии ему в качестве имени было присвоено название данного явления^[9]. Так по расчётам скорость вращения астероида (54509) YORP должна удвоиться всего за 600 000 лет, а через 35 млн лет его период обращения и вовсе составит всего 20 секунд, что в дальнейшем может привести к разрыву астероида центробежными силами. На сегодняшний день угловое ускорение данного астероида составляет 2,9 (± 0,2) • 10^-4 °/сек^2[10]. Кроме того влияние YORP-эффекта может привести к изменению наклона и прецессии оси вращения.

Наблюдения показывают, что для астероидов диаметром более 125 км кривая распределения скоростей вращения соответствует распределению Максвелла, в то время как для небольших тел диаметром от 50 до 125 км наблюдается некоторое увеличение быстро вращающихся (медленно вращающихся) объектов, а для мелких астероидов менее 50 км в диаметре и вовсе характерно большое количество астероидов с очень большими или очень малыми скоростями вращения вокруг своей оси. По сути происходит смещение областей плотности астероидов к краям распределения по мере уменьшения размеров астероидов. YORP-эффект является главным механизмом подобного смещения. Он также объясняет относительно небольшое количество небольших астероидов асимметричной формы^[4], а также существование небольших тесных двойных систем астероидов, вращающихся вокруг общего центра масс^[11], которые не могут быть объяснены только как результат взаимных столкновений астероидов^[12]. С другой стороны он не способен существенно изменить скорости вращения крупных тел вроде астероида (253) Матильда.

См. также

• Эффект Ярковского
• Орбитальная скорость
• Приливные силы
• Солнечная радиация
• Приливное ускорение
• (54509) YORP

Примечания

1. ↑ David Perry Rubincam Radiative Spin-up and Spin-down of Small Asteroids  (англ.) 1. Icarus (2000). doi:10.1006/icar.2000.6485.
2. ↑ Постоянная планка h=6,62·10^-34 Дж*с, скорость света=300 000 км/c, энергия фотона E=hv
3. ↑ Радзиевский В. В. (1954). «Механизм разрушения астероидов и метеоритов». Доклад Академии Наук СССР 97: 49–52.
4. ↑ ^{1 2} S. J. Paddack, J. W. Rhee, Geophys. Res. Lett 2, 365 (1975)
5. ↑ D.P. Rubincam Radiative Spin-up and Spin-down of Small Asteroids 2–11. Icarus (2000).
6. ↑ M. Kaasalainen et al., Nature 446, 420 (2007) DOI:10.1038/nature05614
7. ↑ S. C. Lowry et al., Science 316 272 (2007) DOI:10.1126/science.1139040
8. ↑ P. A. Taylor et al., Science 316 274 (2007) DOI:10.1126/science.1139038
9. ↑ New Scientist 2594 10.03.2007
10. ↑ Opazovanje asteroida 2000 PH5
11. ↑ D. P. Rubincam and S. J. Paddack, Science 316 211 (2007) DOI:10.1126/science.1141930
12. ↑ D.P. Rubincam, S. J. Paddack, Science 316 211 (2007)

Ссылки

• Opazovanja pojava JORP
• Opis delovanja pojava JORP
• Primer izračunavanja velikosti pojava JORP
• Klotz, Irene. Asteroid Spin Changed by Sunlight, Discovery Communications, LLC. (7 марта 2007).
• Asteroid rotation discovery reported
• O'Keefe John A. Tektites and Their Origin. — Elsevier, 1976.
• Paddack, Stephen J., Rotational bursting of small celestial bodies: Effects of radiation pressure, J. Geophys. Res., 74, 4379-4381 (1969)
• Radzievskii, V. V. (1954). «A mechanism for the disintegration of asteroids and meteorites». Доклад Академии наук 97: 49–52.
• Rubincam, David P., Radiative spin-up and spin-down of small asteroids, Icarus, 148, 2-11 (2000)
• Statler, Thomas S. (2009-03-05), "Extreme Sensitivity of the YORP Effect to Small-Scale Topography", arΧiv:0903.1119 

• S. C. Lowry et. al. Science 316 272 (2007) (Abstract).
• P.A. Taylor et. al. Science 316 274 (2007) (Abstract).
• M. Kaasalenien et. al. Nature 446, 420 (2007).
• New Scientist Space : «Sun sends bumpy asteroids into a spin»
• Discovery News : «Asteroid Spin Changed by Sunlight».
• Berliner Zeitung : «Die Strahlung der Sonne versetzt kleine Himmelskörper ganz langsam in Schwung».