Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Шағын дененің айналу жылдамдығын өзгертетін Ярковский эффектісіне екінші реттік өзгеріс.
Second order variation on the Yarkovsky effect that changes the rotation rate of a small body
Ярковский–О'Киф–Радеевский–Паддак эффектісі, немесе қысқаша YORP эффектісі, күн сәулесінің бетінен шашырауы және дененің өзінің жылулық сәулесін шығаруы нәтижесінде шағын астрономиялық дененің айналу күйін – яғни, дененің айналу жылдамдығы мен оның полюсінің көлбеулігін – өзгертеді. YORP эффектісі көбінесе Күн жүйесінде гелиоцентрлік орбитасы бар астероидтарға қатысты қарастырылады. Бұл эффект екілік және домалап айналатын астероидтардың пайда болуына, сондай-ақ астероидтің полюсін эклиптикалық жазықтыққа қатысты 0°, 90° немесе 180° бұрышқа өзгертуге және осы арқылы Ярковский эффектісіне байланысты оның гелиоцентрлік радиалды жылжуын өзгертуге жауапты.
The Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect, or YORP effect for short, changes the rotation state of a small astronomical body – that is, the body's spin rate and the obliquity of its pole(s) – due to the scattering of solar radiation off its surface and the emission of its own thermal radiation. The YORP effect is typically considered for asteroids with their heliocentric orbit in the Solar System. The effect is responsible for the creation of binary and tumbling asteroids as well as for changing an asteroid's pole towards 0°, 90°, or 180° relative to the ecliptic plane and so modifying its heliocentric radial drift rate due to the Yarkovsky effect.
Мерзім
Бұл терминді 2000 жылы Дэвид П. Рубинкам YORP эффектісі деп аталатын құбылыстың негізгі тұжырымдамасына үлкен үлес қоскан төрт маңызды ғалымды құрметтеу үшін енгізген. 19 ғасырда Иван Ярковский күнмен қыздырылған денеден шығатын жылулық сәулелену тек жылуды ғана емес, импульсті де алып кететінін анықтаған. Қазіргі физика тілімен айтқанда, әрбір шығарылған фотонның импульсі p = E/c тең, мұнда E – оның энергиясы, ал c – жарық жылдамдығы. Владимир Радеевский бұл идеяны альбедоның өзгеруіне байланысты айналуға қатысты қолданды, ал Стивен Паддак дененің айналу жылдамдығын өзгертудің ең тиімді жолы – оның пішіні екенін көрсетті. Стивен Паддак пен Джон О’Киф YORP эффектісі айналудың күрт өзгеруіне (айналымдық жарылысқа) алып келеді, ал осы процестің қайталануы нәтижесінде кішкентай, симметриясыз денелер уақыт өте келе шаңға айналады деген болжам жасады.
The term was coined by David P. Rubincam in 2000 to honor four important contributors to the concepts behind the so named YORP effect. In the 19th century, Ivan Yarkovsky realized that the thermal radiation escaping from a body warmed by the Sun carries off momentum as well as heat. Translated into modern physics, each emitted photon possesses a momentum p = E/c where E is its energy and c is the speed of light. Vladimir Radzievskii applied the idea to rotation based on changes in albedo and Stephen Paddack realized that shape was a much more effective means of altering a body's spin rate. Stephen Paddack and John O'Keefe suggested that the YORP effect leads to rotational bursting and by repeatedly undergoing this process, small asymmetric bodies are eventually reduced to dust.
Физикалық механизм
Негізінде, электромагниттік сәулелену астероидтің бетімен үш маңызды тәсілмен өзара әрекеттеседі: Күн сәулесі (1) сіңіріледі және (2) дененің бетінен шағылысады, ал дененің ішкі энергиясы (3) жылу сәулеленуі түрінде шығарылады. Фотондар импульсқа ие болғандықтан, осы өзара әрекеттесулердің әрқайсысы дененің бұрыштық импульсін массалық орталығына қатысты өзгертеді. Егер бұл өзгерістерді қысқа мерзімде қарастырсақ, олар өте шағын болады, бірақ ұзақ мерзімде бұл өзгерістер дененің бұрыштық импульсінде маңызды өзгерістерге алып келуі мүмкін. Гелиоцентрлік орбитадағы денелер үшін маңызды ұзақ мерзім – орбиталық кезең (яғни жыл), себебі көптеген астероидтердің айналу кезеңдері (яғни күндері) олардың орбиталық кезеңдерінен қысқа. Осылайша, көптеген астероидтар үшін YORP эффектісі – астероидтің айналу күйіндегі секулярлық өзгеріс болып табылады, ол күн сәулеленуінен туындаған айналу моменттерін ең алдымен айналу кезеңі бойынша, содан кейін орбиталық кезең бойынша орташалау нәтижесінде пайда болады.
In principle, electromagnetic radiation interacts with the surface of an asteroid in three significant ways: radiation from the Sun is (1) absorbed and (2) diffusively reflected by the surface of the body and the body's internal energy is (3) emitted as thermal radiation. Since photons possess momentum, each of these interactions leads to changes in the angular momentum of the body relative to its center of mass. If considered for only a short period of time, these changes are very small, but over longer periods of time, these changes may integrate to significant changes in the angular momentum of the body. For bodies in a heliocentric orbit, the relevant long period of time is the orbital period (i. e. year), since most asteroids have rotation periods (i. e. days) shorter than their orbital periods. Thus, for most asteroids, the YORP effect is the secular change in the rotation state of the asteroid after averaging the solar radiation torques over first the rotational period and then the orbital period.
Байқаулар
2007 жылы 54509 YORP (кейін 2000 PH деп белгіленді) және 1862 Apollo шағын астероидтерінде YORP әсерінің тікелей байқау арқылы расталуы болды. 54509 YORP астероидінің айналу жылдамдығы бар болғаны 600 000 жылда екі есеге артады, ал YORP эффектісі сонымен қатар осьтік бұрылыс пен прецессия жылдамдығын өзгерте алады. Сондықтан YORP құбылыстарының толық жиынтығы астероидтерді қызықты резонанстық айналу күйлеріне түсіруі мүмкін, сондай-ақ екі астероидтің болуын түсіндіруге көмектеседі. Байқаулар көрсеткендей, диаметрі 125 км-ден асатын астероидтердің айналу жылдамдықтары Максвелл жиілік үлестірілімін сақтайды, ал кішірек астероидтер (50-ден 125 км-ге дейінгі өлшемде) шамалы ғана жылдам айналушылардың артықшылығын көрсетеді. Ең кішкентай астероидтер (50 км-ден кіші өлшемде) өте жылдам және өте баяу айналушылардың айқын артықшылығын көрсетеді, бұл көрсеткіш кішігірім популяциялар өлшенген сайын одан да айқын болады. Бұл нәтижелер бірыңғай немесе бірнеше өлшемге тәуелді механизмдер айналу жылдамдығының үлестірілімінің ортасын шетке қарай ығыстырып жатыр деген жорамалды ұсынады. YORP эффектісі осыған ең лайықты үміткер. Ол өзіндік күшімен үлкен астероидтердің айналу жылдамдығын айтарлықтай өзгерте алмайды, сондықтан 253 Матильда сияқты денелер үшін басқа түсіндіру іздеу қажет. 2013 жылдың соңында P/2013 R3 астероидінің ыдырауы байқалды, бұл YORP эффектісінен туындаған жоғары айналу жылдамдығының салдары болуы мүмкін.
In 2007 there was direct observational confirmation of the YORP effect on the small asteroids 54509 YORP (then designated 2000 PH) and 1862 Apollo. The spin rate of 54509 YORP will double in just 600,000 years, and the YORP effect can also alter the axial tilt and precession rate, so that the entire suite of YORP phenomena can send asteroids into interesting resonant spin states, and helps explain the existence of binary asteroids. Observations show that asteroids larger than 125 km in diameter have rotation rates that follow a Maxwellian frequency distribution, while smaller asteroids (in the 50 to 125 km size range) show a small excess of fast rotators. The smallest asteroids (size less than 50 km) show a clear excess of very fast and slow rotators, and this becomes even more pronounced as smaller sized populations are measured. These results suggest that one or more size dependent mechanisms are depopulating the centre of the spin rate distribution in favour of the extremes. The YORP effect is a prime candidate. It is not capable of significantly modifying the spin rates of large asteroids by itself, so a different explanation must be sought for objects such as 253 Mathilde. In late 2013 asteroid P/2013 R3 was observed breaking apart, likely because of a high rotation speed from the YORP effect.
Мысалдар
Айналатын сфералық астероидтың экваторына екі үшбұрышты қанат тіркелген деп есептейік, олар параллель күн сәулелерімен сәулеленеді. Сфералық өзектің кез келген беттік элементінен кететін фотондардың реакциялық күші бетке перпендикуляр болады, сондықтан момент туындамайды (күш векторларының барлығы масса орталығынан өтеді). Дегенмен, қанаттардың қабырғаларынан қайта сәулеленген жылулық фотондар момент тудыруы мүмкін, өйткені перпендикуляр векторлар масса орталығынан өтпейді. Екі қанаттың да көлденең қимасы бірдей (олардың биіктігі мен ені бірдей), сондықтан олар бірдей мөлшерде энергияны сіңіріп, шағылыстырады және бірдей күш тудырады. Алайда, қанат беттерінің көлбеу болуына байланысты, қайта сәулеленген фотондардың күштері өзара теңкестеспейді. Суретте А қанатының шығатын сәулеленуі кіріс жарыққа параллель экваторлық күшті және тік күшті тудырмайды, бірақ В қанатының күші кішірек экваторлық компонентке және тік компонентке ие. Екі қанаттағы теңгерімсіз күштер моментке әкеледі және нысан айналады. Шығатын жарықтың тудырған моменті, тіпті толық айналымда да, орташаланбайды, сондықтан айналу уақытымен бірге үдерейеді. Сондықтан, "жел тегершігі" асимметриясы бар нысан оны жоғары немесе төмен айналдыратын және айналу осін прецессияға түсіретін өте кішкентай момент күштеріне ұшырауы мүмкін. Айналатын эллипсоидта беттік температура немесе альбедо өзгермесе, YORP эффектісі нөлге тең болады. Ұзақ мерзімде нысанның қисықтығы мен айналу жылдамдығы бірнеше факторларға байланысты кездейсоқ, хаотикалық немесе реттелген түрде өзгеруі мүмкін. Мысалы, Күн экваторында тұрақтап қалса, радиусы 6 км және жартылай бас осьтері 2,21 АЕ болатын 951 Гаспра астероиды 240 миллион жыл ішінде 12 сағаттық айналу периодынан 6 сағатқа дейін және керісінше өзгеруі мүмкін. Егер 243 Идаға Гаспрамен бірдей радиус және орбиталық мәндер берілсе, ол екі есе жылдам айналады немесе баяулайды, ал Фобос пішініне ұқсас дене айналу периодын бірдей өзгертуге бірнеше миллиард жыл кетеді. Мөлшері де, пішіні де эффектінің күшіне әсер етеді. Кішірек нысандар тезірек айналады немесе баяулайды. Егер Гаспра 10 есе кішірек болса (500 м радиусқа дейін), оның айналу периоды бірнеше миллион жыл ішінде екі есеге азаяды. Сол сияқты, YORP эффектісі Күнге жақын нысандар үшін күшейеді. 1 АЕ қашықтықта Гаспра 100 000 жыл ішінде айналу периодын екі есеге дейін өзгертеді. Бір миллион жылдан кейін оның периоды ~2 сағатқа дейін қысқаруы мүмкін, бұл кезде ол ыдырауға басталуы мүмкін. 2019 жылғы модельге сәйкес, YORP эффектісі Күн жарық қызыл алыпқа айналғанда "астероидтардың кең таралған фрагментациясына" себеп болуы мүмкін және көптеген ақ жұлдыздарда байқалатын шаң дискілерін және көрінетін материяның құлауын түсіндіруге болады. Бұл екілік астероидтардың пайда болуының бір механизмі және ол соқтығысулар мен планеталық жақын кездесулердегі гравитациялық бұзылуларға қарағанда екілік астероидтардың пайда болуының басты себебі болуы мүмкін. Кейіннен астероидке 54509 YORP деген ат қойылды, осы құбылыстың расталуына оның қосқан үлесін құрметтеу үшін.
Assume a rotating spherical asteroid has two wedge shaped fins attached to its equator, irradiated by parallel rays of sunlight. The reaction force from photons departing from any given surface element of the spherical core will be normal to the surface, such that no torque is produced (the force vectors all pass through the centre of mass). Thermally emitted photons reradiated from the sides of the wedges, however, can produce a torque, as the normal vectors do not pass through the centre of mass. Both fins present the same cross section to the incoming light (they have the same height and width), and so absorb and reflect the same amount of energy each and produce an equal force. Due to the fin surfaces being oblique, however, the normal forces from the reradiated photons do not cancel out. In the diagram, fin A's outgoing radiation produces an equatorial force parallel to the incoming light and no vertical force, but fin B's force has a smaller equatorial component and a vertical component. The unbalanced forces on the two fins lead to torque and the object spins. The torque from the outgoing light does not average out, even over a full rotation, so the spin accelerates over time. An object with some "windmill" asymmetry can therefore be subjected to minuscule torque forces that will tend to spin it up or down as well as make its axis of rotation precess. The YORP effect is zero for a rotating ellipsoid if there are no irregularities in surface temperature or albedo. In the long term, the object's changing obliquity and rotation rate may wander randomly, chaotically or regularly, depending on several factors. For example, assuming the Sun remains on its equator, asteroid 951 Gaspra, with a radius of 6 km and a semi major axis of 2.21 AU, would in 240 Ma (240 million years) go from a rotation period of 12 h to 6 h and vice versa. If 243 Ida were given the same radius and orbit values as Gaspra, it would spin up or down twice as fast, while a body with Phobos' shape would take several billion years to change its spin by the same amount. Size as well as shape affects the amount of the effect. Smaller objects will spin up or down much more quickly. If Gaspra were smaller by a factor of 10 (to a radius of 500 m), its spin will halve or double in just a few million years. Similarly, the YORP effect intensifies for objects closer to the Sun. At 1 AU, Gaspra would double/halve its spin rate in a mere 100,000 years. After one million years, its period may shrink to ~2 h, at which point it could start to break apart. According to a 2019 model, the YORP effect is likely to cause "widespread fragmentation of asteroids" as the Sun expands into a luminous red giant, and may explain the dust disks and apparent infalling matter observed at many white dwarfs. This is one mechanism through which binary asteroids may form, and it may be more common than collisions and planetary near encounter tidal disruption as the primary means of binary formation. Asteroid was later named 54509 YORP to honor its part in the confirmation of this phenomenon.