Φαινόμενο Γιαρκόβσκυ

Το Φαινόμενο Γιαρκόβσκυ είναι μια δύναμη που ενεργεί σε ένα περιστρεφόμενο σώμα στο διάστημα, η οποία προκαλείται από την ανισότροπη εκπομπή θερμικών φωτονίων τα οποία έχουν ορμή. Συνήθως λαμβάνεται υπόψη σε σχέση με τους μικρούς μετεωρίτες ή τους μικρούς αστεροειδείς (με διάμετρο από 10 εκατοστά έως 10 χιλιόμετρα) καθώς η επιρροή του φαινομένου είναι πιο σημαντική για αυτά τα σωματίδια.

Ιστορία της ανακάλυψης

Το φαινόμενο Γιαρκόβσκυ ανακαλύφθηκε από τον Ρώσο πολιτικό μηχανικό Ιβάν Οσίποβιτς Γιαρκόβσκυ (1844 - 1902), ο οποίος εργαζόταν πάνω σε επιστημονικά θέματα κατά τον ελεύθερο χρόνο του. Γράφοντας σε ένα φυλλάδιο γύρω στο 1900, ο Γιαρκόβσκυ σημείωσε ότι η καθημερινή θερμότητα ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου στο διάστημα θα το αναγκάσει να βιώσει μια δύναμη η οποία, αν και μικροσκοπική, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλες μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στις τροχιές των μικροσωμάτων και των μικρών αστεροειδών. Η άποψη του Γιαρκόβσκυ θα είχε ξεχαστεί εάν δεν υπήρχε ο Εσθονός αστρονόμος Ernst J. Öpik (1893-1985) ο οποίος διάβασε το φυλλάδιο του Γιαρκόβσκυ περίπου στα 1909. Δεκαετίες αργότερα ο Öpik, ενθυμούμενος το φυλλάδιο, μίλησε για την πιθανή σημασία του φαινομένου Γιαρκόβσκυ πάνω στην κίνηση των μετεωριδίων στο ηλιακό σύστημα.

Μηχανισμός

Το φαινόμενο Γιαρκόβσκυ είναι η συνέπεια του γεγονότος ότι η αλλαγή της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου που θερμαίνεται από την ακτινοβολία (και επομένως η ένταση της θερμικής ακτινοβολίας από το αντικείμενο) υστερεί πίσω από τις αλλαγές στην εισερχόμενη ακτινοβολία. Δηλαδή η επιφάνεια του αντικειμένου χρειάζεται χρόνο για να ζεσταθεί όταν φωτίζεται για πρώτη φορά ; και χρειάζεται χρόνος για να κρυώσει όταν σταματά ο φωτισμός. Σε γενικές γραμμές υπάρχουν δυο συνιστώσες στο φαινόμενο :
Ημερήσιο φαινόμενο : σε ένα περιστρεφόμενο σώμα που φωτίζεται από τον Ήλιο (π.χ. ένας αστεροειδής ή η Γη), η επιφάνεια θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία κατά την διάρκεια της ημέρας και δροσίζεται την νύχτα. Λόγω των θερμικών ιδιοτήτων της επιφάνειας, παρατηρείται καθυστέρηση μεταξύ της απορρόφησης της ακτινοβολίας από τον ήλιο και της εκπομπής της ίδιας ακτινοβολίας με την θερμότητα, επομένως το θερμότερο σημείο σε ένα περιστρεφόμενο σώμα λαμβάνει χώρα γύρω από την επιφάνεια με θέση "2 μμ" ή λίγο μετά το μεσημέρι. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υφίσταται μια διαφορά μεταξύ των κατευθύνσεων απορρόφησης και επανεκπομπής της ακτινοβολίας η οποία αποδίδει μια καθαρή δύναμη κατά μήκος της κατεύθυνσης κίνησης της τροχιάς. Εάν το αντικείμενο είναι ένας περιστρεφόμενος προγραμματιστής, η δύναμη είναι προς την κατεύθυνση κίνησης της τροχιάς και προκαλεί μια σταθερή αύξηση του κύριου άξονα της τροχιάς ; το αντικείμενο περιστρέφεται μακριά από τον Ήλιο. Ένας ανάδρομος περιστροφέας περιστρέφεται κοντά στον Ήλιο. Η ημερήσια επίδραση είναι το κυρίαρχο στοιχείο για τα σώματα με διάμετρο μεγαλύτερη των 100 μέτρων.
Εποχιακό φαινόμενο : Αυτό είναι ευκολότερο να κατανοηθεί χάρη στην εξιδανικευμένη περίπτωση ενός μη περιστρεφόμενου σώματος το οποίο κινείται γύρω από τον Ήλιο, μια περίπτωση κατά την οποία κάθε "έτος" αποτελείται από ακριβώς μια "μέρα". Καθώς περιστρέφεται γύρω από την τροχιά του, αυτό το ημισφαίριο έχει θερμανθεί σε μια μακρά χρονική περίοδο η οποία βρίσκεται πάντα προς την κατεύθυνση της κίνησης της τροχιάς. Το περίσσευμα σε θερμική ακτινοβολία προκαλεί μια δύναμη πέδησης η οποία κινεί πάντα την έλικα προς τον Ήλιο. Στην πράξη, για τα περιστρεφόμενα σώματα, αυτό το εποχιακό φαινόμενο αυξάνεται μαζί με την αξονική κλίση. Κυριαρχεί μόνο εάν η ημερήσια επίδραση είναι αρκετά μικρή. Αυτό μπορεί να συμβεί εξαιτίας της πολύ γρήγορης περιστροφής (δεν υπάρχει χρόνος για να κρυώσει στην νυχτερινή πλευρά, συνεπώς υφίσταται μια σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας), του μικρού μεγέθους (ολόκληρο το σώμα θερμαίνεται συνολικά) ή έχει αξονική κλίση κοντά στις 90 μοίρες. Το εποχιακό φαινόμενο είναι σημαντικό για μικρότερα θραύσματα αστεροειδών (από λίγα μέτρα μέχρι περίπου 100 μέτρα) υπό την προϋπόθεση ότι οι επιφάνειές τους δεν καλύπτονται από μονωτικό στρώμα ούτε έχουν υπερβολικά αργές περιστροφές. Επιπλέον, σε πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά τα οποία ο άξονας περιστροφής ενός σώματος μπορεί να αλλάζει επανειλημμένα λόγω συγκρούσεων (συνεπώς η κατεύθυνση του ημερήσιου αποτελέσματος αλλάζει), το εποχιακό φαινόμενο θα τείνει επίσης να κυριαρχεί.
Σε γενικές γραμμές η επίδραση εξαρτάται από το μέγεθος και επηρεάζει τον κύριο άξονα των μικρότερων αστεροειδών ενώ αφήνει πρακτικά ανεπηρέαστους τους μεγάλους αστεροειδείς. Για τους αστεροειδείς που έχουν μέγεθος χιλιομέτρων, το φαινόμενο Γιαρκόβσκυ είναι μικρό και έχει σύντομη διάρκεια : η δύναμη στον αστεροειδή 6489 Golevka έχει εκτιμηθεί σε περίπου 0,25 newton, για καθαρή επιτάχυνση 10-10 m / s². Ωστόσο είναι σταθερή δύναμη ; για παραπάνω από εκατομμύρια χρόνων η τροχιά ενός αστεροειδούς μπορεί να διαταραχθεί αρκετά ώστε να μεταφερθεί από τη ζώνη των αστεροειδών στο καθαρό ηλιακό σύστημα.
Οι παραπάνω λεπτομέρειες μπορούν να γίνουν πιο περίπλοκες για τα σώματα με έντονες τροχιές.

Μέτρηση

Το αποτέλεσμα μετρήθηκε για πρώτη φορά τις χρονιές 1991-2003 στον αστεροειδή 6489 Golevka. Ο αστεροειδής πραγματοποίησε 15 χλμ μακριά από την προβλεπόμενη θέση του για πάνω από δώδεκα χρόνια (η τροχιά δημιουργήθηκε με ακρίβεια μέσα από μια σειρά παρατηρήσεων των ραντάρ το 1991, το 1995 και το 1999) από το τηλεσκόπιο Arecibo.
Χωρίς μια άμεση μέτρηση, είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί το ακριβές αποτέλεσμα του φαινομένου Γιαρκόβσκυ σε μια δεδομένη τροχιά του αστεροειδούς. Αυτό συμβαίνει επειδή το μέγεθος του φαινομένου εξαρτάται από πολλές μεταβλητές που είναι δύσκολο να προσδιοριστούν από τις περιορισμένες διαθέσιμες πληροφορίες πάνω στην παρατήρηση. Αυτές οι μεταβλητές περιλαμβάνουν το ακριβές σχήμα του αστεροειδούς και τον προσανατολισμό του. Οι υπολογισμοί περιπλέκονται περαιτέρω εξαιτίας των συνεπειών της σκίασης και της θερμικής επαναφοράς, είτε προκαλούνται από τοπικούς κρατήρες είτε από ένα πιθανό κοιλώδες σχήμα. Το φαινόμενο Γιαρκόβσκυ ανταγωνίζεται επίσης την πίεση της ακτινοβολίας, της οποίας η καθαρή επίδραση μπορεί να προκαλέσει παρόμοιες μικρές δυνάμεις για τα σώματα με μεταβολές ή / και μη σφαιρικά σχήματα.
Ως παράδειγμα, ακόμα και για την απλή περίπτωση του εποχιακού φαινομένου του Γιαρκόβσκυ πάνω σε σφαιρικό σώμα με κυκλική τροχιά και λοξή καμπυλότητα 90 μοιρών, οι μεταβολές του κύριου άξονα θα μπορούσαν να διαφέρουν κατά δυο φορές. Ανάλογα με την τροχιά και τον άξονα περιστροφής του αντικειμένου, η αλλαγή του κύριου άξονα κατά τον Γιαρκόβσκυ μπορεί να αναστραφεί απλά μέσω της μεταβολής του σχήματος από σφαιρικό σε μη σφαιρικό.
Παρόλες αυτές τις δυσκολίες, η χρήση του φαινομένου Γιαρκόβσκυ είναι ένα σενάριο υπό διερεύνηση προκειμένου να αλλάξει η πορεία των δυνητικά γήινων αστεροειδών κοντά στη Γη. Πιθανές στρατηγικές της εκτροπής των αστεροειδών περιλαμβάνουν την "ζωγραφική" της επιφάνειας του αστεροειδούς ή την εστίαση της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω στον αστεροειδή προκειμένου να μεταβληθεί η ένταση του φαινομένου Γιαρκόβσκυ και έτσι να μεταβληθεί η τροχιά του αστεροειδούς μακριά από μια σύγκρουση με τη Γη. Η αποστολή OSIRIS-REx, που ξεκίνησε τον Σεπτέμβριο του 2016, μελετά το φαινόμενο του Γιαρκόβσκυ πάνω στον αστεροειδή Bennu.