YORP-эффект

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

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. Термин ввёл в 2000 г. американский геофизик Д. Рубинкэм. Частное проявление этого явления известно с 1900 года как эффект Ярковского.

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 вращение сферических тел эта сила не оказывает практически никакого влияния, поскольку возникающий реактивный импульс направлен перпендикулярно к поверхности астероида, которая в свою очередь 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 под углом к направлению на него, что приводит к возникновению вращающего момента, который вызывает появление небольшого углового ускорения, что приводит к 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 раскрутить их 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: Чтобы увеличить скорость вращения астероида (951) Гаспра в два раза при его радиусе в 6 км и орбите 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 составило бы 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: 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 прецессию 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 оказаться ещё более важным, 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 Дэвидом Рубинкэмом[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 российский 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 [math]\displaystyle{ p= hv/c }[/math], где [math]\displaystyle{ hv }[/math] — энергия фотона, а [math]\displaystyle{ c }[/math] — 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, советский астрофизик Владимир Вячеславович Радзиевский, уточнил, что интенсивность теплового излучения зависит от альбедо поверхности астероида[3], а американские учёные Стивен Пэддэк[англ.] и Джон О’Киф 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 этого астероида составляет 2,0(± 0,2)⋅10-4 °/день2[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

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. Механизм разрушения астероидов и метеоритов // Доклад Академии Наук СССР. — 1954. — Т. 97. — С. 49—52.
  4. ↑ 4,0 4,1 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 (недоступная ссылка — история ) 2–11 148. 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

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=YORP-эффект&oldid=18557742