Эффект Ярковского-О'Кифа-Радзиевского-Паддака , или сокращенно эффект ЙОРП , изменяет состояние вращения малого астрономического тела , то есть скорость вращения тела и наклон его полюса (полюсов), из-за рассеяния солнечного излучения его поверхностью и испускания им собственного теплового излучения .
Эффект YORP обычно рассматривается для астероидов с гелиоцентрической орбитой в Солнечной системе . Эффект отвечает за создание двойных и кувыркающихся астероидов , а также за изменение полюса астероида в сторону 0 ° , 90 ° или 180 ° относительно плоскости эклиптики и, таким образом, за изменение скорости его гелиоцентрического радиального дрейфа из-за эффекта Ярковского .
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 , выходящее из тела, нагретого Солнцем, уносит импульс, а также тепло . В переводе на язык современной физики, каждый испущенный фотон обладает импульсом p = E/c, где E — его энергия , а c — скорость света . Владимир Радзиевский применил эту идею к вращению, основанному на изменениях альбедо [2] , а Стивен Паддак понял, что форма — гораздо более эффективное средство изменения скорости вращения тела. [3] Стивен Паддак и Джон О'Киф предположили, что эффект YORP приводит к всплеску вращения, и, многократно подвергаясь этому процессу, небольшие асимметричные тела в конечном итоге превращаются в пыль. [4] [5]
В принципе, электромагнитное излучение взаимодействует с поверхностью астероида тремя значимыми способами: излучение от Солнца (1) поглощается и (2) диффузно отражается поверхностью тела, а внутренняя энергия тела (3) испускается в виде теплового излучения . Поскольку фотоны обладают импульсом , каждое из этих взаимодействий приводит к изменениям углового момента тела относительно его центра масс . Если рассматривать только короткий период времени, эти изменения очень малы, но за более длительные периоды времени эти изменения могут объединиться в значительные изменения 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 их орбитальных периодов. 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 орбитальный период.
В 2007 году было получено прямое наблюдательное подтверждение эффекта YORP на малых астероидах 54509 YORP (тогда обозначенных как 2000 PH 5 ) [6] [7] и 1862 Apollo . [8] Скорость вращения 54509 YORP удвоится всего за 600 000 лет, а эффект YORP также может изменять наклон оси и скорость прецессии , так что весь набор явлений YORP может переводить астероиды в интересные резонансные состояния вращения и помогает объяснить существование двойных астероидов . [9]
Наблюдения показывают, что астероиды диаметром более 125 км имеют скорости вращения, которые следуют распределению частот Максвелла , в то время как более мелкие астероиды (в диапазоне размеров от 50 до 125 км) показывают небольшой избыток быстрых ротаторов. Самые маленькие астероиды (размером менее 50 км) показывают 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 зависящих от размера механизмов опустошают центр распределения скорости вращения в пользу крайностей. Эффект YORP является главным кандидатом. Он не способен существенно изменять скорости вращения крупных астероидов сам по себе, поэтому для таких объектов, как 253 Матильда , необходимо искать другое объяснение .
В конце 2013 года было замечено, что астероид P/2013 R3 распадается на части, вероятно, из-за высокой скорости вращения из-за эффекта YORP. [10]
Предположим, что вращающийся сферический астероид имеет два клиновидных плавника, прикрепленных к его экватору, облучаемых параллельными лучами солнечного света. Сила реакции от фотонов, вылетающих из любого заданного элемента поверхности сферического ядра, будет перпендикулярна поверхности, так что крутящий момент не создается (все векторы силы проходят через центр масс).
Однако тепловые фотоны, переизлученные со сторон клиньев, могут создавать крутящий момент, поскольку нормальные векторы не проходят через центр масс. Оба ребра представляют одинаковое поперечное сечение для входящего света (они имеют одинаковую высоту и ширину), и поэтому поглощают и отражают одинаковое количество энергии каждый и создают одинаковую силу. Однако из-за того, что поверхности ребер наклонные, нормальные силы от переизлученных фотонов не компенсируются. На диаграмме исходящее излучение ребра A создает экваториальную силу, параллельную входящему свету, и не создает вертикальной силы, но сила ребра B имеет меньшую экваториальную составляющую и вертикальную составляющую. Несбалансированные силы на двух ребрах приводят к крутящему моменту, и объект вращается. Крутящий момент от исходящего света не усредняется даже за полный оборот, поэтому вращение ускоряется со временем. [11]
Объект с некоторой асимметрией типа «ветряная мельница» может, таким образом, подвергаться воздействию незначительных крутящих моментов, которые будут стремиться раскрутить его вверх или вниз, а также заставить прецессировать его ось 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, хаотичным или регулярным образом в зависимости от нескольких факторов. Например, если предположить, что Солнце остается на своем экваторе , астероид 951 Гаспра с радиусом 6 км и большой полуосью 2,21 а.е. через 240 млн лет (240 млн лет) изменит период вращения с 12 ч на 6 ч и наоборот. Если бы 243 Ида получил те же значения радиуса и орбиты, что и Гаспра, он бы вращался 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. Более мелкие 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 удвоилось всего за несколько миллионов лет. Аналогично, эффект YORP усиливается для объектов, находящихся ближе к Солнцу. На расстоянии 1 а.е. Гаспра удвоила бы/уменьшила бы свою скорость вращения вдвое всего за 100 000 лет. Через миллион лет ее период может сократиться до ~2 часов, после чего она может начать распадаться. [ требуется цитата ] Согласно модели 2019 года, эффект YORP, вероятно, вызовет «широко распространенную фрагментацию астероидов» по мере того, как Солнце расширяется в светящегося красного гиганта , и может объяснить пылевые диски и кажущееся 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 при близком сближении планет в качестве основных способов образования двойных астероидов.
Астероид 2000 PH 5 позже был назван 54509 YORP в честь его роли в подтверждении этого явления.