Эффект YORP

Эффект Ярковского-О'Кифа-Радзиевского-Пэддака , или сокращенно эффект YORP , изменяет состояние вращения небольшого астрономического тела тела – то есть скорость вращения и наклон его полюса ) – из-за рассеяния ( полюсов солнечное излучение от его поверхности и испускание собственного теплового излучения .

Эффект YORP обычно рассматривается для астероидов с гелиоцентрической орбитой в Солнечной системе . Этот эффект отвечает за создание двойных и падающих астероидов , а также за изменение полюса астероида в сторону 0 ° , 90 ° или 180 ° относительно плоскости эклиптики и, таким образом, изменение скорости его гелиоцентрического радиального дрейфа из-за эффекта Ярковского .

Срок

Этот термин был придуман Дэвидом П. Рубинкамом в 2000 году. ^[1] в честь четырех важных авторов концепций, лежащих в основе так называемого эффекта YORP. В 19 веке Иван Ярковский понял, что тепловое излучение , исходящее от тела, нагретого Солнцем, уносит с собой импульс , но и не только тепло . В переводе на современную физику каждый излучаемый фотон обладает импульсом p = E/c, где E — его энергия , а c — скорость света . Владимир Радзиевский применил эту идею к вращению, основанному на изменении альбедо. ^[2] и Стивен Паддак понял, что форма является гораздо более эффективным средством изменения скорости вращения тела. ^[3] Стивен Паддак и Джон О'Киф предположили, что эффект YORP приводит к вращательному взрыву, и, неоднократно подвергаясь этому процессу, небольшие асимметричные тела в конечном итоге превращаются в пыль. ^[4]^[5]

Физический механизм

В принципе, электромагнитное излучение взаимодействует с поверхностью астероида тремя основными способами: излучение Солнца ( 1) поглощается и (2) диффузно отражается поверхностью тела, а внутренняя энергия тела (3) излучается в виде тепловой энергии . радиация . Поскольку фотоны обладают импульсом , каждое из этих взаимодействий приводит к изменению момента импульса тела относительно его центра масс . Если рассматривать эти изменения только в течение короткого периода времени, эти изменения очень малы, но в течение более длительных периодов времени эти изменения могут привести к значительным изменениям углового момента тела. Для тел на гелиоцентрической орбите соответствующим длительным периодом времени является орбитальный период (т.е. год), поскольку у большинства астероидов периоды вращения (т.е. дни) короче, чем их орбитальные периоды. Таким образом, для большинства астероидов эффект YORP представляет собой вековое изменение состояния вращения астероида после усреднения моментов солнечного излучения сначала за период вращения, а затем за период обращения.

Наблюдения

В 2007 году было получено прямое наблюдательное подтверждение эффекта YORP на небольших астероидах 54509 YORP (тогда обозначенных 2000 PH 5 ). ^[6]^[7] и Аполлон 1862 года . ^[8] Скорость вращения 54509 YORP удвоится всего за 600 000 лет, а эффект YORP также может изменить осевой наклон и скорость прецессии , так что весь набор явлений YORP может отправить астероиды в интересные резонансные состояния вращения и помочь объяснить существование двойные астероиды . ^[9]

Наблюдения показывают, что астероиды диаметром более 125 км имеют скорость вращения, соответствующую максвелловскому распределению частот , в то время как астероиды меньшего размера (в диапазоне размеров от 50 до 125 км) демонстрируют небольшой избыток быстрых ротаторов. На самых маленьких астероидах (размером менее 50 км) наблюдается явный избыток очень быстрых и медленных ротаторов, и это становится еще более выраженным по мере измерения популяций меньшего размера. Эти результаты предполагают, что один или несколько механизмов, зависящих от размера, приводят к уменьшению численности населения центра распределения скорости вращения в пользу крайностей. Эффект YORP — главный кандидат. Сам по себе он не способен существенно изменять скорость вращения крупных астероидов, поэтому для таких объектов, как 253 Матильда , необходимо искать другое объяснение .

астероида P/2013 R3 , вероятно, из-за высокой скорости вращения из-за эффекта YORP. В конце 2013 года наблюдался распад ^[10]

Примеры

Предположим, что вращающийся сферический астероид имеет два клиновидных плавника, прикрепленных к его экватору, и освещается параллельными лучами солнечного света. Сила реакции со стороны фотонов, вылетающих из любого элемента поверхности сферического ядра, будет перпендикулярна поверхности, так что крутящий момент не создается (все векторы силы проходят через центр масс).

Однако термически излучаемые фотоны, переизлученные с боковых сторон клиньев, могут создавать крутящий момент, поскольку векторы нормали не проходят через центр масс. Оба ребра представляют одинаковое поперечное сечение для падающего света (они имеют одинаковую высоту и ширину) и поэтому поглощают и отражают одинаковое количество энергии каждое и производят равную силу. Однако из-за того, что поверхности ребер наклонены, нормальные силы от переизлученных фотонов не компенсируются. На диаграмме исходящее излучение плавника А создает экваториальную силу, параллельную входящему свету, и не имеет вертикальной силы, но сила плавника В имеет меньшую экваториальную составляющую и вертикальную составляющую. Несбалансированные силы на двух ребрах приводят к крутящему моменту, и объект вращается. Крутящий момент исходящего света не усредняется даже при полном обороте, поэтому вращение со временем ускоряется. ^[11]

Таким образом, объект с некоторой асимметрией «ветряной мельницы» может подвергаться воздействию незначительных крутящих сил, которые будут стремиться вращать его вверх или вниз, а также прецессировать его ось вращения . Эффект YORP равен нулю для вращающегося эллипсоида , если нет нарушений температуры поверхности или альбедо .

и скорость вращения объекта В долгосрочной перспективе изменяющийся наклон могут изменяться случайным, хаотическим или регулярным образом, в зависимости от нескольких факторов. Например, если предположить, что Солнце останется на экваторе , астероид 951 Гаспра с радиусом 6 км и большой полуосью 2,21 а.е. за 240 млн лет назад (240 миллионов лет) сменил бы период вращения с 12 часов на 6. х и наоборот. Если бы 243 Иде были присвоены те же значения радиуса и орбиты, что и Гаспре, она вращалась бы вверх или вниз в два раза быстрее, в то время как телу с формой Фобоса потребовалось бы несколько миллиардов лет, чтобы изменить свое вращение на ту же величину.

Размер, а также форма влияют на величину эффекта. Меньшие объекты будут вращаться вверх или вниз гораздо быстрее. Если бы Гаспра была меньше в 10 раз (до радиуса 500 м), ее вращение уменьшилось бы вдвое или вдвое всего за несколько миллионов лет. Аналогично эффект YORP усиливается для объектов, находящихся ближе к Солнцу. На расстоянии 1 а.е. Гаспра удвоит/уменьшит скорость своего вращения всего за 100 000 лет. Через миллион лет его период может сократиться до ~2 часов, после чего он может начать распадаться. ^{[ нужна ссылка ]} Согласно модели 2019 года, эффект YORP, вероятно, вызовет «широкомасштабную фрагментацию астероидов», когда Солнце превратится в светящегося красного гиганта , и может объяснить пылевые диски и видимое падающее вещество, наблюдаемое у многих белых карликов . ^[12]^[13]

Это один из механизмов, посредством которого могут образовываться двойные астероиды , и он может быть более распространенным, чем столкновения и приливные разрушения планет, близких к столкновению, в качестве основного средства формирования двойных астероидов.

Астероид 2000 PH ₅ позже был назван 54509 YORP в честь его вклада в подтверждение этого явления.

См. также

101955 Бенну – Углеродистый астероид.
25143 Итокава — самый маленький астероид, который посетил космический корабль.
54509 YORP – астероид, соорбитальный с Землей.
Радиационное давление – давление, оказываемое на любую поверхность, подвергающуюся воздействию электромагнитного излучения.
Радиометр - Прибор для измерения лучистого потока (мощности) электромагнитного излучения.
Эффект Ярковского - Сила, действующая на вращающееся тело в космосе.

Цитаты

^ Рубинкам, Д. (2000). «Радиационное раскрутка и замедление малых астероидов» . Икар . 148 (1): 2–11. Бибкод : 2000Icar..148....2R . дои : 10.1006/icar.2000.6485 . Архивировано из оригинала 26 февраля 2020 г. Проверено 11 декабря 2019 г.
^ Радзиевский (1954)
^ Паддак, SJ (1 января 1969 г.). «Вращательный взрыв малых небесных тел: эффекты радиационного давления». Журнал геофизических исследований . 74 (17): 4379–4381. Бибкод : 1969JGR....74.4379P . дои : 10.1029/JB074i017p04379 . ISSN 0148-0227 .
^ С. Дж. Паддак, Дж. В. Ри, Geophys. Рез. Лет 2 , 365 (1975)
^ Окифе, Дж. А. (1 апреля 1975 г.). «Тектиты и их происхождение». Технический отчет НАСА STI/Recon N. 75 : 23444. Бибкод : 1975STIN...7523444O .
^ Лоури, Южная Каролина; Фицсиммонс, А.; Правец, П.; Вокруглицкий Д.; Бенхардт, Х.; Тейлор, Пенсильвания; Марго, Ж.-Л.; Галад, А.; Ирвин, М.; Ирвин, Дж.; Куснирак, П. (2007). «Прямое обнаружение астероидного эффекта YORP» (PDF) . Наука . 316 (5822): 272–274. Бибкод : 2007Sci...316..272L . дои : 10.1126/science.1139040 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17347414 . S2CID 26687221 . Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2019 г. Проверено 23 сентября 2019 г.
^ Тейлор, Пенсильвания; Марго, Ж.-Л.; Вокруглицкий Д.; Ширес, диджей; Правец, П.; Лоури, Южная Каролина; Фицсиммонс, А.; Нолан, MC; Остро, С.Дж.; Беннер, ЛАМ; Джорджини, доктор медицинских наук; Магри, К. (2007). «Скорость вращения астероида (54509) 2000 PH5 увеличивается из-за эффекта YORP» . Наука . 316 (5822): 274–277. Бибкод : 2007Sci...316..274T . дои : 10.1126/science.1139038 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17347415 . S2CID 29191700 .
^ Каасалайнен, Микко; Дюрех, Йозеф; Уорнер, Брайан Д.; Круглый Юрий Н. ; Гафтонюк, Нинель М. (2007). «Ускорение вращения астероида 1862 Аполлон радиационными моментами». Природа . 446 (7134): 420–422. Бибкод : 2007Natur.446..420K . дои : 10.1038/nature05614 . ПМИД 17344861 . S2CID 4420270 .
^ Рубинкам, ДП; Паддак, SJ (2007). «Как вращаются крошечные миры». Наука . 316 (5822): 211–212. CiteSeerX 10.1.1.205.5777 . дои : 10.1126/science.1141930 . ПМИД 17431161 . S2CID 118802966 .
^ «Хаббл стал свидетелем загадочного распада астероида» . Архивировано из оригинала 12 марта 2014 г. Проверено 6 марта 2014 г.
^ Рубинкам, Д. (2000). «Радиационное раскрутка и замедление малых астероидов» . Икар . 148 (1). Эльзевир Б.В.: 2–11. Бибкод : 2000Icar..148....2R . дои : 10.1006/icar.2000.6485 . Архивировано из оригинала 26 февраля 2020 г. Проверено 11 декабря 2019 г.
^ Верас, Дмитрий; Ширес, Дэниел Дж. (февраль 2020 г.). «Обломки после главной последовательности от распада YORP малых тел, вызванного вращением - II. Множественное деление, внутренняя сила и двойное образование» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 492 (2): 2437–2445. arXiv : 2001.00949 . дои : 10.1093/mnras/stz3565 .
^ Тиммер, Джон (18 февраля 2020 г.). «Когда Солнце расширится, оно сотрет все астероиды» . Арс Техника . Архивировано из оригинала 20 февраля 2020 года . Проверено 20 февраля 2020 г.

Общие и цитируемые ссылки

О'Киф, Джон А. (1976). Тектиты и их происхождение . Эльзевир. Черновой вариант рукописи/отчета .
Паддак, Стивен Дж (1969). «Вращательный взрыв малых небесных тел: эффекты радиационного давления». Дж. Геофиз. Рез . 74 (17): 4379–4381. Бибкод : 1969JGR....74.4379P . дои : 10.1029/jb074i017p04379 .
Радзиевский, В.В. (1954). «Механизм распада астероидов и метеоритов». Доклады Академии наук СССР . 97 : 49–52.
Рубинкам, Дэвид П. (2000). «Радиационное раскрутка и замедление малых астероидов» . Икар . 148 (1): 2–11. Бибкод : 2000Icar..148....2R . дои : 10.1006/icar.2000.6485 .

Дальнейшее чтение

Статлер, Томас С. (5 марта 2009 г.). «Чрезвычайная чувствительность эффекта YORP к мелкомасштабной топографии». Икар . 202 (2): 502–513. arXiv : 0903.1119 . Бибкод : 2009Icar..202..502S . дои : 10.1016/j.icarus.2009.03.003 . S2CID 18935544 .
Вокруглицкий, Давид; Боттке, Уильям Ф. (2012). «Эффекты Ярковского и YORP» . Схоларпедия . 7 (5): 10599. arXiv : 1502.01249 . Бибкод : 2012SchpJ...710599B . дои : 10.2458/azu_uapress_9780816532131-ch027 .

Внешние ссылки

Клотц, Ирен (7 марта 2007 г.). «Вращение астероида изменилось под воздействием солнечного света» . Дискавери Коммуникейшн, ООО. Архивировано из оригинала 26 апреля 2008 г.
Сообщено об открытии вращения астероида

[1] Рубинкам, Д. (2000). «Радиационное раскрутка и замедление малых астероидов» . Икар . 148 (1): 2–11. Бибкод : 2000Icar..148....2R . дои : 10.1006/icar.2000.6485 . Архивировано из оригинала 26 февраля 2020 г. Проверено 11 декабря 2019 г.

[2] Радзиевский (1954)

[3] Паддак, SJ (1 января 1969 г.). «Вращательный взрыв малых небесных тел: эффекты радиационного давления». Журнал геофизических исследований . 74 (17): 4379–4381. Бибкод : 1969JGR....74.4379P . дои : 10.1029/JB074i017p04379 . ISSN 0148-0227 .

[4] С. Дж. Паддак, Дж. В. Ри, Geophys. Рез. Лет 2 , 365 (1975)

[5] Окифе, Дж. А. (1 апреля 1975 г.). «Тектиты и их происхождение». Технический отчет НАСА STI/Recon N. 75 : 23444. Бибкод : 1975STIN...7523444O .

[LowryFitzsimmons2007-6] Лоури, Южная Каролина; Фицсиммонс, А.; Правец, П.; Вокруглицкий Д.; Бенхардт, Х.; Тейлор, Пенсильвания; Марго, Ж.-Л.; Галад, А.; Ирвин, М.; Ирвин, Дж.; Куснирак, П. (2007). «Прямое обнаружение астероидного эффекта YORP» (PDF) . Наука . 316 (5822): 272–274. Бибкод : 2007Sci...316..272L . дои : 10.1126/science.1139040 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17347414 . S2CID 26687221 . Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2019 г. Проверено 23 сентября 2019 г.

[TaylorMargot2007-7] Тейлор, Пенсильвания; Марго, Ж.-Л.; Вокруглицкий Д.; Ширес, диджей; Правец, П.; Лоури, Южная Каролина; Фицсиммонс, А.; Нолан, MC; Остро, С.Дж.; Беннер, ЛАМ; Джорджини, доктор медицинских наук; Магри, К. (2007). «Скорость вращения астероида (54509) 2000 PH5 увеличивается из-за эффекта YORP» . Наука . 316 (5822): 274–277. Бибкод : 2007Sci...316..274T . дои : 10.1126/science.1139038 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17347415 . S2CID 29191700 .

[8] Каасалайнен, Микко; Дюрех, Йозеф; Уорнер, Брайан Д.; Круглый Юрий Н. ; Гафтонюк, Нинель М. (2007). «Ускорение вращения астероида 1862 Аполлон радиационными моментами». Природа . 446 (7134): 420–422. Бибкод : 2007Natur.446..420K . дои : 10.1038/nature05614 . ПМИД 17344861 . S2CID 4420270 .

[9] Рубинкам, ДП; Паддак, SJ (2007). «Как вращаются крошечные миры». Наука . 316 (5822): 211–212. CiteSeerX 10.1.1.205.5777 . дои : 10.1126/science.1141930 . ПМИД 17431161 . S2CID 118802966 .

[10] «Хаббл стал свидетелем загадочного распада астероида» . Архивировано из оригинала 12 марта 2014 г. Проверено 6 марта 2014 г.

[Rubincam_2000_pp._2–11-11] Рубинкам, Д. (2000). «Радиационное раскрутка и замедление малых астероидов» . Икар . 148 (1). Эльзевир Б.В.: 2–11. Бибкод : 2000Icar..148....2R . дои : 10.1006/icar.2000.6485 . Архивировано из оригинала 26 февраля 2020 г. Проверено 11 декабря 2019 г.

[12] Верас, Дмитрий; Ширес, Дэниел Дж. (февраль 2020 г.). «Обломки после главной последовательности от распада YORP малых тел, вызванного вращением - II. Множественное деление, внутренняя сила и двойное образование» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 492 (2): 2437–2445. arXiv : 2001.00949 . дои : 10.1093/mnras/stz3565 .

[13] Тиммер, Джон (18 февраля 2020 г.). «Когда Солнце расширится, оно сотрет все астероиды» . Арс Техника . Архивировано из оригинала 20 февраля 2020 года . Проверено 20 февраля 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]