Второй порядок эффекта Ярковского и изменение скорости вращения малых тел.

Введение

Вариация эффекта Ярковского второго порядка, изменяющая скорость вращения малого тела.

Эффект Ярковского–О’Кифа–Радеевского–Паддака, или сокращенно YORP эффект, изменяет состояние вращения небольшого астрономического тела – то есть скорость вращения тела и наклонность его оси вращения – из-за рассеяния солнечного излучения от его поверхности и излучения собственного теплового излучения. Эффект YORP обычно рассматривается применительно к астероидам, движущимся по гелиоцентрическим орбитам в Солнечной системе. Этот эффект ответственен за образование двойных и кувыркающихся астероидов, а также за изменение наклона оси вращения астероида к 0°, 90° или 180° относительно плоскости эклиптики, что, в свою очередь, модифицирует его гелиоцентрическую радиальную скорость дрейфа под действием эффекта Ярковского.

Срок

Термин был введен Дэвидом П. Рубинкамом в 2000 году в знак признания вклада четырех ученых в развитие концепций, лежащих в основе так называемого эффекта YORP. В XIX веке Иван Ярковский обнаружил, что тепловое излучение, покидающее тело, нагретое Солнцем, уносит не только тепло, но и импульс. В терминах современной физики, каждый испускаемый фотон обладает импульсом p = E/c, где E – его энергия, а c – скорость света. Владимир Радзиевский применил эту идею к объяснению вращения, основанного на изменениях альбедо, а Стивен Паддак осознал, что форма является гораздо более эффективным способом изменения скорости вращения тела. Стивен Паддак и Джон О’Киф предположили, что эффект YORP приводит к ротационному разрушению, и, многократно подвергаясь этому процессу, небольшие асимметричные тела в конечном итоге распадаются на пыль.

Физический механизм

В принципе, электромагнитное излучение взаимодействует с поверхностью астероида тремя значимыми способами: излучение Солнца (1) поглощается и (2) рассеивается диффузно поверхностью тела, а внутренняя энергия тела (3) излучается в виде теплового излучения. Поскольку фотоны обладают импульсом, каждое из этих взаимодействий приводит к изменению углового момента тела относительно его центра масс. Если рассматривать лишь короткий промежуток времени, эти изменения очень малы, но со временем они могут накапливаться, приводя к существенным изменениям углового момента тела. Для тел, находящихся на гелиоцентрической орбите, релевантным длительным периодом времени является орбитальный период (то есть год), поскольку периоды вращения большинства астероидов (то есть дни) короче их орбитальных периодов. Таким образом, для большинства астероидов эффект ЙОРПа представляет собой секулярное изменение состояния вращения астероида после усреднения крутящих моментов солнечного излучения сначала по периоду вращения, а затем по орбитальному периоду.

Замечания

В 2007 году было получено прямое наблюдательное подтверждение эффекта YORP на небольшие астероиды 54509 YORP (тогда обозначенный как 2000 PH) и 1862 Apollo. Скорость вращения 54509 YORP удвоится всего за 600 000 лет, а эффект YORP также может изменять осевой наклон и скорость прецессии. В результате весь комплекс явлений, связанных с YORP, может приводить астероиды в интересные резонансные состояния вращения и помогает объяснить существование двойных астероидов. Наблюдения показывают, что астероиды диаметром более 125 км имеют скорости вращения, соответствующие распределению Максвелла, в то время как астероиды меньшего размера (в диапазоне от 50 до 125 км) демонстрируют небольшой избыток быстро вращающихся объектов. Самые маленькие астероиды (размером менее 50 км) показывают явный избыток как очень быстрых, так и очень медленных вращателей, и эта тенденция становится еще более выраженной при изучении популяций меньших размеров. Эти результаты позволяют предположить, что один или несколько механизмов, зависящих от размера, уменьшают плотность распределения скоростей вращения в центральной области, отдавая предпочтение крайним значениям. Эффект YORP является одним из основных кандидатов на роль такого механизма. Однако он сам по себе не способен существенно изменять скорости вращения крупных астероидов, поэтому для объяснения характеристик объектов, таких как 253 Mathilde, необходимо искать другие причины. В конце 2013 года было зафиксировано разрушение астероида P/2013 R3, вероятно, из-за высокой скорости вращения, вызванной эффектом YORP.

Примеры

Предположим, что вращающийся сферический астероид имеет два клиновидных плавника, прикрепленных к его экватору, облучаемых параллельными лучами солнечного света. Сила реакции фотонов, покидающих любой данный поверхностный элемент сферического ядра, будет нормальной к поверхности, так что крутящий момент не создается (векторы силы проходят через центр масс). Однако, тепловые фотоны, переизлучаемые с боковых сторон клиньев, могут создавать крутящий момент, поскольку нормальные векторы не проходят через центр масс. Оба плавника представляют одинаковую площадь поперечного сечения для входящего света (они имеют одинаковую высоту и ширину), и поэтому поглощают и отражают одинаковое количество энергии, создавая равную силу. Однако, из-за наклонности поверхностей плавников, нормальные силы от переизлученных фотонов не компенсируют друг друга. На диаграмме, исходящее излучение плавника А создает экваториальную силу, параллельную входящему свету, и не создает вертикальную силу, в то время как сила плавника В имеет меньшую экваториальную компоненту и вертикальную компоненту. Несбалансированные силы на двух плавниках приводят к крутящему моменту и вращению объекта. Крутящий момент от исходящего света не усредняется, даже при полном обороте, поэтому вращение ускоряется со временем. Объект с некоторой асимметрией типа "ветряной мельницы" может, таким образом, подвергаться крошечным силам крутящего момента, которые будут стремиться раскрутить или затормозить его, а также вызвать прецессию его оси вращения. Эффект YORP равен нулю для вращающегося эллипсоида, если нет неровностей в температуре поверхности или альбедо. В долгосрочной перспективе, изменение наклона и скорости вращения объекта может изменяться случайным образом, хаотично или регулярно, в зависимости от нескольких факторов. Например, если предположить, что Солнце остается на его экваторе, астероид 951 Гаспра, с радиусом 6 км и большой полуосью 2,21 а.е., через 240 миллионов лет изменит период вращения с 12 часов до 6 часов и наоборот. Если астероиду 243 Ида придать тот же радиус и орбиту, что и у Гаспры, он будет раскручиваться или затормаживаться в два раза быстрее, в то время как телу с формой Фобоса потребуется несколько миллиардов лет, чтобы изменить свой период вращения на ту же величину. Размер, а также форма, влияют на величину эффекта. Меньшие объекты будут раскручиваться или затормаживаться гораздо быстрее. Если бы Гаспра была в 10 раз меньше (с радиусом 500 м), ее период вращения уменьшился бы вдвое или удвоился всего за несколько миллионов лет. Аналогично, эффект YORP усиливается для объектов, находящихся ближе к Солнцу. На расстоянии 1 а.е. Гаспра удвоит или уменьшит вдвое свою скорость вращения всего за 100 000 лет. Через миллион лет ее период может сократиться до ~2 часов, после чего она может начать разрушаться. Согласно модели 2019 года, эффект YORP, вероятно, вызовет "широкое фрагментирование астероидов", когда Солнце расширится в красный гигант, и может объяснить пылевые диски и видимое падение материи, наблюдаемые у многих белых карликов. Это один из механизмов формирования двойных астероидов, и он может быть более распространенным, чем столкновения и приливные разрушения при планетарных близких встречах, как основной способ формирования двойных астероидов. Позже астероид был назван 54509 YORP в честь его вклада в подтверждение этого явления.

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.

Общие и цитируемые ссылки

Проект рукописи/доклада.