Astrofizik Genel Gökbilim Uzay Uzayın Keşfi

Yarkovsky Etkisi Veya YORP Etkisi Nedir?

Yarkovsky etkisi , momentum taşıyan termal fotonların anizotropik emisyonunun neden olduğu, uzayda dönen bir cisme etki eden bir kuvvettir . Etkisi bu cisimler için en önemli olduğu için, genellikle meteoroidler veya küçük asteroitler (yaklaşık 10 cm ila 10 km çapında) ile ilişkili olarak kabul edilir.

Keşif tarihi

Etkisi, boş zamanlarında bilimsel sorunlar üzerinde çalışan Polonyalı inşaat mühendisi Ivan Osipovich Yarkovsky (1844-1902) tarafından keşfedildi. 1900 yılındaki bir dergide yazan Yarkovsky, uzayda dönen bir cismin günlük olarak ısıtılmasının, küçükken, özellikle meteoroidlerin yörüngelerinde büyük uzun vadeli etkilere yol açabilecek bir kuvvete neden olacağına dikkat çekti. ve küçük asteroitler . Yarkovsky’nin iç görüsü, Yarkovsky’nin makalesini 1909 yılı civarında bir süre okuyan Estonyalı astronom Ernst J. Öpik (1893-1985) olmasaydı unutulmuş olurdu.

Yarkovsky Mekanizması

Yarkovsky etkisi, radyasyonla ısınan bir nesnenin sıcaklığındaki değişimin (ve dolayısıyla nesneden gelen termal radyasyonun yoğunluğunun) gelen radyasyondaki değişikliklerin gerisinde kalmasının bir sonucudur. Yani, nesnenin yüzeyi ilk aydınlatıldığında ısınması zaman alır ve aydınlatma ise durduğunda soğuması zaman alır. Genel olarak, etkinin iki bileşeni vardır:

Gündüz etkisi

Güneş tarafından aydınlatılan dönen bir cisimde (örneğin bir asteroit veya Dünya), yüzey gündüz güneş ışıması ile ısıtılır ve geceleri soğur. Yüzeyin ısıl özelliklerinden dolayı, güneşten gelen radyasyonun emilimi ile ısı ile aynı radyasyonun yayılması arasında bir gecikme vardır, bu nedenle dönen bir cisim üzerindeki en sıcak nokta öğleden sonra saat “2 PM” bölgesinde meydana gelir. Bu, yörüngenin hareket yönü boyunca net bir kuvvet veren, soğurma yönleri ve radyasyonun yeniden emisyonu arasında bir farkla sonuçlanır. Nesne bir ilerletme döndürücüsü ise, kuvvet yörüngenin hareket yönündedir ve yörüngenin ana eksen yarıçapının düzenli olarak artmasına neden olur; nesne güneşten uzaklaşıyor. Günlük etki, çapı 100 m’den büyük olan cisimler için baskın bir bileşendir.

Mevsimsel etki

Güneşin yörüngesinde dönen, ancak kendi etrafında dönmeyen bir cismin idealize edilmiş durumunun anlaşılması en kolay olanıdır. Yörüngesinde dolaştığında, uzun bir süre önce ısıtılan “alacakaranlık” yarımküresi yörüngesel hareket yönündedir. Bu doğrultuda termal radyasyonun aşırı olması, her zaman Güneşe doğru içe doğru sarılmaya neden olan bir frenleme kuvvetine neden olur. Pratikte, dönen cisimler için, bu mevsimsel etki eksenel eğim ile birlikte artar. Sadece günlük etki yeterince küçükse baskın olur. Bu, çok hızlı dönme (gece tarafında soğuma zamanının az olması, dolayısıyla neredeyse tek biçimli bir boyuna sıcaklık dağılımı), küçük boyut (tüm gövde boyunca ısıtılır) veya 90 ° ‘ye yakın eksenel bir eğim nedeniyle oluşabilir. Mevsimsel etki daha küçük asteroit parçaları için (birkaç metreden yaklaşık 100 m’ye kadar) yüzeyleri yalıtıcı bir regolit tabakası ile örtülmemesi ve aşırı yavaş dönüşlere sahip olmaması şartıyla daha önemlidir. Ek olarak, çarpışmalar nedeniyle gövdenin dönme ekseninin tekrar tekrar değiştirilebileceği çok uzun zaman ölçeklerinde (ve dolayısıyla günlük etkinin yönü de değişir), mevsimsel etki de egemen olacaktır.

Genel olarak, etki büyüklüğüne bağlıdır ve büyük asteroitleri neredeyse hiç etkilenmeden bırakırken küçük asteroitlerin yarı-ana eksenini etkiler. Kilometre büyüklüğünde asteroitler için, Yarkovsky etkisi kısa süreler boyunca eksidir: asteroit 6489 Golevka üzerindeki kuvveti, 10 −10 m / s² net hızlanma için yaklaşık 0.25 newton olarak tahmin edilmiştir. Ancak bu istikrarlı; Milyonlarca yıl boyunca bir asteroitin yörüngesi onu asteroit kuşağından iç Güneş Sistemine taşıyacak kadar rahatsız edilebilir.

Yukarıdaki detaylar kuvvetli eksantrik yörüngelerde bulunan cisimler için daha karmaşık hale gelebilir.

YORP Etkisi

Yarkovsky – O’Keefe – Radzievskii – Paddack etkisi veya kısaca YORP etkisi, küçük bir astronomik cismin dönme durumunu değiştirir – yani, vücudun sıkma oranı ve kutuplarının dağılması nedeniyle yüzeyinden güneş radyasyonu ve kendi termal radyasyonunun emisyonu.

YORP etkisi tipik olarak Güneş Sistemindeki güneş merkezli yörüngesine sahip asteroitler için düşünülür. Etki, ikili ve yuvarlanan asteroitlerin oluşturulmasından ve ayrıca bir asteroit kutbunun ekliptik düzleme göre 0 °, 90 ° veya 180 ° ‘ye değiştirilmesinden ve Yarkovsky etkisi nedeniyle heliyosentrik radyal sürüklenme oranının değiştirilmesinden sorumludur.

2000 yılında David P. Rubincam tarafından YORP etkisi adı verilen kavram, bu konudaki dört önemli bilim insanının katkısını onurlandırmak için kullanılmıştır. 19. yüzyılda Ivan Yarkovsky, Güneş tarafından ısıtılan bir vücuttan kaçan termal radyasyonun hem momentum hem de ısı taşıdığını fark etti. Modern fiziğe çevrilen, yayılan her fotonun moment = p = E / c’dir, burada E enerjisidir ve c ışık hızıdır. Vladimir Radzievskii bu fikri albedo’daki değişikliklere dayanarak rotasyona uyguladı ve Stephen Paddack, asteroidin şeklinini gövdenin dönme hızını değiştirmenin çok daha etkili bir yolu olduğunu fark etti. Stephen Paddack ve John O’Keefe, YORP etkisinin rotasyonel patlamaya yol açtığını ve bu işlemi tekrar tekrar yaparak küçük asimetrik cisimlerin sonunda toza indirildiğini öne sürdü.

YORP Etkisi İlkesi

Prensip olarak, elektromanyetik radyasyon bir asteroidin yüzeyi ile üç önemli şekilde etkileşime girer:

Güneş’ten gelen radyasyon emilir ve vücudun yüzeyi tarafından yaygın olarak yansıtılır ve gövdenin iç enerjisi termal radyasyon olarak yayılır. Fotonlar momentum içerdiğinden, bu etkileşimlerin her biri, kütle merkezine göre gövdenin açısal momentumunda değişikliklere yol açar. Sadece kısa bir süre için düşünülürse, bu değişiklikler çok küçüktür, ancak daha uzun süreler boyunca, bu değişiklikler vücudun açısal momentumundaki önemli değişikliklerle bütünleşebilir. Güneş merkezli bir yörüngedeki cisimler için, ilgili uzun süre yörünge dönemidir (yani yıl), çünkü çoğu asteroitlerin yörünge dönemlerinden daha kısa dönme periyotları (yani günler) vardır. Bu nedenle, çoğu asteroit için, YORP etkisi, ilk dönme periyodu ve daha sonra yörünge dönemi boyunca güneş radyasyon torklarının ortalaması alındıktan sonra asteroitin rotasyon durumunda seküler değişikliktir.

2007 yılında, küçük asteroitler 54509 YORP (daha sonra 2000 PH5 olarak adlandırılmıştır) ve 1862 Apollo üzerindeki YORP etkisinin doğrudan gözlemsel teyidi vardı. 54509 YORP sıkma hızı sadece 600.000 yıl içinde iki katına çıkacak ve YORP etkisi ayrıca eksenel eğim ve kesilme oranını da değiştirebilir, böylece YORP fenomenlerinin tüm paketi asteroitleri ilginç rezonant spin durumlarına gönderebilir ve varlığını açıklamaya yardımcı olur. ikili asteroitler.

Gözlemler, 125 km’den daha büyük asteroitlerin Makswellian frekans dağılımını takip eden dönüş oranlarına sahip olduğunu gösterirken, daha küçük asteroitler (50 ila 125 km boyut aralığında) az miktarda hızlı rotator göstermektedir. En küçük asteroitler (50 km’den küçük boyutlar) çok hızlı ve yavaş rotatorların belirgin bir fazlalığını gösterir ve daha küçük popülasyonlar ölçüldüğünde bu daha da belirgin hale gelir. Bu sonuçlar, bir veya daha fazla boyuta bağlı mekanizmanın, dönme hızı dağılımının merkezini, aşırılıklar lehine açtığını göstermektedir. YORP etkisi birincil adaydır. Büyük asteroitlerin spin oranlarını tek başına önemli ölçüde değiştiremez, bu nedenle 253 Mathilde gibi nesneler için farklı bir açıklama yapılmalıdır.

2013’ün sonlarında asteroid P/2013 R3’ün muhtemelen YORP etkisinden yüksek dönme hızı nedeniyle parçalandığı gözlemlendi.

Dönen bir küresel asteroitin ekvatoruna bağlı, paralel güneş ışınlarıyla ışınlanan iki kama şeklindeki yüzgeçleri olduğunu varsayın. Küresel çekirdeğin belirli bir yüzey elemanından ayrılan fotonlardan gelen reaksiyon kuvveti, herhangi bir tork üretilmeyecek şekilde yüzeye normal olacaktır (kuvvet vektörleri, kütle merkezinden geçer).

Bununla birlikte, takozların yanlarından ışınlanan termal olarak yayılan fotonlar, normal vektörler kütle merkezinden geçmediği için bir tork üretebilir. Her iki kanatçık da gelen ışığa aynı kesiti sunar (aynı yükseklik ve genişliğe sahiptirler) ve böylece her biri aynı miktarda enerjiyi emer ve yansıtır ve eşit bir kuvvet üretir. Ancak kanatçık yüzeylerinin eğik olması nedeniyle, ışınlanan fotonlardan gelen normal kuvvetler iptal edilmez.

Bu nedenle, bazı “yel değirmeni” asimetrisine sahip bir nesne, onu yukarı veya aşağı döndürme ve dönme eksenini önceden ayarlama eğilimi gösterecek küçük tork kuvvetlerine maruz kalabilir. YORP etkisi, yüzey sıcaklığında veya albedoda düzensizlik yoksa dönen bir elipsoid için sıfırdır.

951 Gaspra

Uzun vadede, nesnenin değişen eğikliği ve dönme hızı, birkaç faktöre bağlı olarak rastgele, düzensiz veya düzenli olarak dolaşabilir. Örneğin, Güneş’in ekvatorunda kaldığı varsayılarak, asteroit 951 Gaspra, yarıçapı 6 km ve yarı ana ekseni 2.21 AU ile, 240 Ma (240 milyon yıl) 12 saat ila 6 dönüş periyodundan devam edecek h ve tersi. 243 Ida’ya Gaspra ile aynı yarıçap ve yörünge değerleri verilirse, Phobos şeklindeki bir gövdenin dönüşünü aynı miktarda değiştirmesi birkaç milyar yıl alır.

243 İda Asteroidi

Boyutun yanı sıra şekil de efektin miktarını etkiler. Daha küçük nesneler çok daha hızlı bir şekilde yukarı veya aşağı döner. Gaspra 10 kat daha küçük olsaydı (500 m yarıçapa kadar), dönüşü sadece birkaç milyon yıl içinde yarıya inecek veya iki katına çıkacaktır. Benzer şekilde, YORP etkisi Güneş’e daha yakın nesneler için yoğunlaşır. 1 AU’da Gaspra, sadece 100.000 yılda spin oranını iki katına/yarıya indirecekti. Bir milyon yıl sonra, süresi ~ 2 saate kadar azalabilir, bu noktada parçalanmaya başlayabilir. 2019 modeline göre, YORP etkisinin Güneş olarak “asteroitlerin yaygın parçalanmasına” neden olması muhtemeldir. parlak kırmızı bir deve dönüşür. 

Bu, ikili asteroitlerin oluşabileceği bir mekanizmadır ve ikili oluşumun birincil aracı olarak çarpışmalardan ve gezegensel yakın karşılaşma gelgit bozulmasından daha yaygın olabilir.

2013 yılında NASA / ESA Hubble Uzay Teleskobu tarafından alınan bu görüntüde asteroit P / 2013 R3’ün parçalandığını gösteriyor. Bu tür bir gövdenin ilk kez bu tür parçalanmalara uğradığı görülüyor. Hubble gözlemleri, asteroitin tozlu zarfının içine gömülü kuyruklu yıldız benzeri toz kuyruklarına sahip on ayrı nesne olduğunu gösterdi. En büyük dört kayalık parçasının, her birinin yarıçapı 200 metreye kadar, bir futbol sahasının iki katı uzunluğundadır. Tarih, sırasıyla 29 Ekim 2013, 15 Kasım 2013, 13 Aralık 2013 ve 14 Ocak 2014 çerçevelerinden soldan sağa doğru artarak, enkaz malzemelerinin yığınlarının nasıl hareket ettiğini gösterir.

Asteroid 2000 PH5 daha sonra bu fenomenin onaylanmasındaki yerini onurlandırmak için 54509 YORP olarak adlandırıldı.

Ölçüm

Etki ilk olarak 1991–2003’te asteroit 6489 Golevka’da ölçülmüştür . Asteroit on iki yıl boyunca öngörülen konumundan 15 km uzaklaştı (yörünge 1991, 1995 ve 1999 yıllarında Arecibo radyo teleskopundan bir dizi radar gözlemi ile büyük bir hassasiyetle kuruldu).

Doğrudan ölçüm olmadan, belirli bir asteroitin yörüngesinde Yarkovsky etkisinin kesin sonucunu tahmin etmek çok zordur. Bunun nedeni, etkinin büyüklüğünün, mevcut sınırlı gözlemsel bilgilerden tespit edilmesi zor olan birçok değişkene bağlı olmasıdır. Bunlar arasında asteroitin tam şekli, oryantasyonu ve albedo bulunur . Hesaplamalar, yerel kraterlerin veya olası bir genel içbükey şeklin neden olduğu gölgeleme ve termal “yeniden aydınlatma” etkileri ile daha da karmaşıklaşır. Yarkovsky etkisi ayrıca, net etkisi albedo varyasyonları veya küresel olmayan şekilleri olan cisimler için benzer küçük uzun vadeli kuvvetlere neden olabilecek radyasyon basıncı ile rekabet eder.

Örnek olarak, basit mevsimsel Yarkovsky etkisinin 90 ° eğimli dairesel bir yörüngede küresel bir gövdede meydana geldiği basit durum için bile, yarı-ana eksen değişiklikleri, tek tip bir albedo durumu arasında iki kat kadar farklı olabilir. ve güçlü bir kuzey/güney albedo asimetrisi durumunda. Nesnenin yörüngesine ve dönme eksenine bağlı olarak, yarı ana eksenin Yarkovsky değişikliği yalnızca küresel bir biçimden küresel olmayan bir şekle değiştirilerek tersine çevrilebilir.

Bu zorluklara rağmen, Yarkovsky etkisinin kullanılması, Dünya’ya yakın potansiyel asteroidlerin potansiyel olarak etkileyeceği rotayı değiştirmek için incelenen bir senaryodur. Olası asteroit sapma stratejileri , asteroit yüzeyinin “boyanmasını” veya Yarkovsky etkisinin yoğunluğunu değiştirmek için asteroit üzerine güneş ışınımını odaklamayı ve böylece asteroitin yörüngesini Dünya ile çarpışmadan uzaklaştırmayı içerir.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.