Yarkovsky etkisi

Yarkovsky etkisi momentum taşıyan termal fotonların anizotropik emisyonlarının neden olduğu uzayda hareket eden cisimlerin üzerinde etkili olan bir kuvvettir. Üzerindeki etkisi çok daha etkin olması dolayısıyla en fazla 10 km çapındaki asteroitler ve meteorlar ile bağlantılı olduğu genellikle kabul edilir.

Boş zamanlarında Rusya'da bilimsel problemler üzerine çalışan Polonya-Rus asıllı inşaat mühendisi Ivan Osipovish Yarkovsky tarafından keşfedilmiştir. 1900 yılı civarında kaleme aldığı bir broşürde uzayda dönen bir nesnenin günlük ısınmasının, küçük de olsa özellikle küçük cisimlerin ve meteoroitlerin yörüngelerinde uzun vadeli büyük etkilere yol açabilecek bir kuvvete maruz kalmasına neden olacağını belirtmiştir. Yarkovsky'nin öngörüsü Estonya'lı astronom Ernst J. Öpik (1893-1985) tarafından 1909 yılı civarında bir şekilde edinilmiş ve daha sonrasında Güneş sistemindeki meteorların hareketinde olası Yarkovsky etkisinin önemini incelemiştir.

Yarkovsky etkisi, bir küçük gezegenin veya bir meteorun maruz kaldığı güneş radyasyonu nedeniyle ısınan yüzeyince soğurulan enerjinin cismin kendi ekseni etrafından dönüşü kaynaklı olarak Güneş'e bakmayan tarafa doğru hareketiyle geri salınması neticesinde ortaya çıkan ısı değişiminden kaynaklı olarak cismin dönüş yönüne göre, hızının artması veya azalmasına bağlı yörüngesinde sapmalar yaşanmasıdır.

Günlük etki: Dünya veya bir asteroit gibi Güneş'le aydınlatılan kendi ekseni etrafında dönen bir cismin yüzeyi gün boyunca güneş radyasyonuyla ısınırken geceleri ise soğur. Yüzeyin termal özelliklerine bağlı olarak, Güneş'ten gelen radyasyonun soğurulması ile radyasyonun ısı olarak salınması arasında bir gecikme vardır, bu nedenle dönen bir cisim üzerindeki en sıcak nokta, yüzeyinin tam olarak direkt açıyla güneş aldığı anda (örneğin Dünya için öğleden sonra saat 2 civarında) meydana gelir. Bu durum, radyasyonun absorpsiyon ve yeniden emisyon yönleri arasında bir fark oluşmasıyla sonuçlanır ve yörünge hareketini, hareket yönü boyunca net bir kuvvete maruz bırakır. Eğer bir cisim kendi ekseni etrafından saat yönünde düz bir yönde dönüyorsa bu kuvvet etkisi nedeniyle yarı büyük ekseni sürekli olarak artarak yörüngesi genişleyecek ve hızlanacaktır. Ters yön yörüngede dönen bir cisim ise aksine yavaşlayarak daha dar bir yörünge izlemeye başlayacaktır. Bu etki yaklaşık 100 metreden daha büyük olan cisimler için oldukça etkindir.

Mevsimsel etki: Bu etkiyi anlamanın en kolay yolu Güneş etrafındaki yörüngesinde kendi ekseni etrafında dönmeyen durumda olan bir cisim olduğu varsayımıyla, bu cismin Güneş etrafındaki bir tam turluk dönüşünü sanki kendi ekseni etrafındaki bir günlük dönüşüymüş gibi kabul etmektir. Böylece yörünge hareketi esnasında karanlık yarımküresi uzun bir süre ışımaya maruz kalmış olan taraf haline gelir. Bu yöndeki termal radyasyonun fazlalığı, her zaman Güneş'e, yani içe doğru sarmallaşmaya neden olan bir yavaşlama kuvvetine neden olur. Pratikte ise, kendi ekseni etrafında dönmekte olan cisimler için bu etki eksen eğikliğine göre artış gösterir. Hele ki günlük etki yeterince düşükse, mevsimsel etki o oranda baskınlaşmaktadır. Bu durum, karanlık tarafın soğumasına yeterince zaman kalmayan çok hızlı dönenler, tüm kütlesi sürekli ısınan küçük boyutlular veya 90°'ye yakın eksenel eğime sahip olanlar kaynaklı olabilir. Mevsimsel etki, yüzeylerinin yalıtkan bir regolit tabakasıyla örtülmemesi ve aşırı yavaş dönüşlere sahip olmaması koşuluyla, 100 metreden daha küçük asteroit parçaları için daha önemlidir. Ek olarak, çarpışmalar nedeniyle cismin dönüş ekseninin ve günlük etkinin tekrar tekrar değiştirilebildiği çok uzun zaman ölçeklerinde, mevsimsel etki de daha baskın olma eğiliminde olacaktır.

Genel olarak etki cismin boyutuna oldukça bağımlıdır. Daha küçük asteroitlerin yarı büyük eksenleri çok daha fazla etkilenirken, büyük boyutlu olanlarınki pratikte çok az etkilenir. Kilometre çapındaki asteroitlerde Yarkovsky etkisi kısa zaman dilimlerinde çok küçüktür. 6489 Golevka adlı asteroit üzerindeki etkisinin net 10−12 m/s2 hızı için 0,25 newton olduğu tahmin edilmektedir. Ancak yörünge üzerinde milyonlarca yıl süren sürekliliği cismin asteroit kuşağından iç Güneş Sistemine doğru savrulacak düzeyde tedirginliğe uğramasına neden olabilir.

Bu etki ilk olarak 1991-2003 yılları arasında 6489 Golevka asteroidi üzerinde ölçülmüştür. Asteroit on iki yıl boyunca öngörülen konumundan yaklaşık 15 km sapmıştır. Cismin izlediği yörünge 1991, 1995 ve 1999 yıllarında Arecibo radyo teleskobundan yapılan bir dizi radar gözlemiyle büyük bir hassasiyetle belirlenmiştir.

Doğrudan ölçüm yapılmadan, Yarkovsky etkisinin belirli bir asteroidin yörüngesi üzerindeki kesin sonucunu tahmin etmek oldukça zordur. Bunun nedeni, etkinin büyüklüğünün, mevcut sınırlı gözlemsel bilgilerden belirlenmesi gereken birçok değişkene bağlı olmasıdır. Bunlar arasında asteroidin tam şekli, yönelimi ve albedosu yer alır. Hesaplamalar, ister yerel kraterlerden isterse de olası bir genel içbükey şekilden kaynaklansın, gölgelenme ve termal "yeniden aydınlatma" etkileriyle daha da karmaşık hale gelir. Yarkovsky etkisi aynı zamanda radyasyon basıncıyla da ilgilidir ve net etkisi albedo varyasyonları veya küresel olmayan şekilleri olan cisimler için benzer küçük uzun vadeli kuvvetlere neden olabilir.

Örnek olarak, 90° eksen eğikliğinde dairesel bir yörüngede bulunan küresel bir cisim üzerindeki saf mevsimsel Yarkovsky etkisinin basit durumu için bile, yarı-büyük eksen değişiklikleri, tekdüze bir albedo durumu ile güçlü bir kuzey-güney albedo asimetrisi durumu arasında iki kat kadar farklılık gösterebilir. Nesnenin yörüngesine ve dönüş eksenine bağlı olarak, yarı büyük eksenin Yarkovsky değişimi sadece küresel bir şekilden küresel olmayan bir şekle geçerek tersine çevrilebilir.

Bu zorluklara rağmen, Yarkovsky etkisinden faydalanmak, Dünya'ya çarpma potansiyeli olan Dünya'ya yakın asteroitlerin rotasını değiştirmek için araştırılmakta olan senaryolardan biridir. Olası asteroid saptırma stratejileri arasında asteroidin yüzeyini "boyamak" ya da Yarkovsky etkisinin yoğunluğunu değiştirmek için güneş radyasyonunu asteroide odaklamak ve böylece asteroidin yörüngesini Dünya ile çarpışmadan uzaklaştırmak gibi yöntemler bulunmaktadır. Eylül 2016'da fırlatılan OSIRIS-REx görevi, asteroid Bennu üzerindeki Yarkovsky etkisini incelemektedir.

2020'de gökbilimciler 99942 Apophis asteroidinin Yarkovsky ivmesini doğrulamışlardır. 99942 Apophis'in 2068'de Dünya'ya çarpma ihtimalinin çok düşük olduğu ve Yarkovsky etkisinin önemli bir tahmin belirsizliği kaynağı olduğu düşünüldüğünden, bulgular asteroid çarpmasından kaçınma ile bağlantılıdır. 2021 yılında, çok disiplinli bir profesyonel-amatör işbirliği, 99942 Apophis'in yörüngesini daha da iyileştirmek ve Yarkovsky ivmesini %0,5'e kadar yüksek hassasiyetle ölçmek için Gaia uydusu ve yer tabanlı radar ölçümlerini amatör yıldız okültasyon gözlemleriyle birleştirmiştir. Bu sayede gökbilimciler Dünya ile çarpışma olasılığını en azından önümüzdeki 100 yıl için ortadan kaldırmayı başarmışlardır.