Fuerza que actúa sobre un cuerpo giratorio en el espacio
El efecto Yarkovsky es una fuerza que actúa sobre un cuerpo giratorio en el espacio causada por la emisión anisotrópica de fotones térmicos , que transportan momento . Generalmente se considera en relación con meteoroides o asteroides pequeños (de unos 10 cm a 10 km de diámetro), ya que su influencia es más significativa para estos cuerpos.
Historia del descubrimiento
El efecto fue descubierto por el ingeniero civil polaco -ruso [1] Ivan Osipovich Yarkovsky (1844-1902), que trabajaba en Rusia en problemas científicos en su tiempo libre. En un panfleto escrito alrededor del año 1900, Yarkovsky señaló que el calentamiento diario de un objeto giratorio en el espacio haría que experimentara una fuerza que, aunque minúscula, podría provocar grandes efectos a largo plazo en las órbitas de cuerpos pequeños, especialmente meteoroides y asteroides pequeños . La idea de Yarkovsky habría sido olvidada de no haber sido por el astrónomo estonio Ernst J. Öpik (1893-1985), que leyó el panfleto de Yarkovsky en algún momento alrededor de 1909. Décadas más tarde, Öpik, recordando el panfleto de memoria, analizó la posible importancia del efecto Yarkovsky en el movimiento de meteoroides alrededor del Sistema Solar . [2]
Mecanismo
El efecto Yarkovsky es una consecuencia del hecho de que el cambio de temperatura de un objeto calentado por la radiación (y, por lo tanto, la intensidad de la radiación térmica del objeto) se produce con retraso con respecto a los cambios en la radiación entrante. Es decir, la superficie del objeto tarda un tiempo en calentarse cuando se ilumina por primera vez y tarda un tiempo en enfriarse cuando se deja de iluminar. En general, el efecto tiene dos componentes:
Efecto diurno : En un cuerpo giratorio iluminado por el Sol (por ejemplo, un asteroide o la Tierra), la superficie se calienta por la radiación solar durante el día y se enfría por la noche. Las propiedades térmicas de la superficie provocan un desfase entre la absorción de la radiación del Sol y la emisión de radiación en forma de calor, por lo que el punto más cálido de un cuerpo giratorio se produce alrededor del sitio "2 PM" en la superficie, o un poco después del mediodía. Esto da como resultado una diferencia entre las direcciones de absorción y reemisión de radiación, lo que produce una fuerza neta a lo largo de la dirección de movimiento de la órbita. Si el objeto es un rotador progrado , la fuerza está en la dirección del movimiento de la órbita y hace que el semieje mayor de la órbita aumente de forma constante; el objeto se aleja en espiral del Sol. Un rotador retrógrado se acerca en espiral. El efecto diurno es el componente dominante para los cuerpos con un diámetro superior a unos 100 m. [3]
Efecto estacional : Esto es más fácil de entender para el caso idealizado de un cuerpo que no gira alrededor del Sol, para el cual cada "año" consiste exactamente en un "día". A medida que viaja alrededor de su órbita, el hemisferio "crepuscular" que se ha calentado durante un largo período de tiempo anterior está invariablemente en la dirección del movimiento orbital. El exceso de radiación térmica en esta dirección causa una fuerza de frenado que siempre hace que se desplace en espiral hacia el interior del Sol. En la práctica, para los cuerpos que giran, este efecto estacional aumenta junto con la inclinación axial . Predomina solo si el efecto diurno es lo suficientemente pequeño. Esto puede ocurrir debido a una rotación muy rápida (no hay tiempo para enfriarse en el lado nocturno, por lo tanto una distribución longitudinal de la temperatura casi uniforme), un tamaño pequeño (todo el cuerpo se calienta en su totalidad) o una inclinación axial cercana a 90°. El efecto estacional es más importante para fragmentos de asteroides más pequeños (desde unos pocos metros hasta aproximadamente 100 m), siempre que sus superficies no estén cubiertas por una capa aislante de regolito y no tengan rotaciones excesivamente lentas. Además, en escalas de tiempo muy largas en las que el eje de rotación del cuerpo puede cambiar repetidamente debido a colisiones (y, por lo tanto, también cambia la dirección del efecto diurno), el efecto estacional también tenderá a dominar. [3]
En general, el efecto depende del tamaño y afectará al semieje mayor de los asteroides más pequeños, mientras que los asteroides grandes prácticamente no se verán afectados. En el caso de asteroides de un kilómetro de tamaño, el efecto Yarkovsky es minúsculo en períodos cortos: la fuerza sobre el asteroide 6489 Golevka se ha estimado en 0,25 newtons , para una aceleración neta de 10 −12 m/s 2 . Pero es constante; a lo largo de millones de años, la órbita de un asteroide puede verse perturbada lo suficiente como para transportarlo desde el cinturón de asteroides hasta el Sistema Solar interior.
El mecanismo es más complicado para los cuerpos en órbitas fuertemente excéntricas .
Medición
El efecto se midió por primera vez entre 1991 y 2003 en el asteroide 6489 Golevka , que se desplazó 15 km de su posición prevista a lo largo de doce años (la órbita se estableció con gran precisión mediante una serie de observaciones de radar en 1991, 1995 y 1999 desde el radiotelescopio de Arecibo ). [4]
Sin una medición directa, es muy difícil predecir el resultado exacto del efecto Yarkovsky en la órbita de un asteroide determinado. Esto se debe a que la magnitud del efecto depende de muchas variables que son difíciles de determinar a partir de la limitada información de observación disponible. Estas incluyen la forma exacta del asteroide, su orientación y su albedo . Los cálculos se complican aún más por los efectos de las sombras y la "reiluminación" térmica, ya sea causada por cráteres locales o una posible forma cóncava general. El efecto Yarkovsky también compite con la presión de radiación , cuyo efecto neto puede causar pequeñas fuerzas similares a largo plazo para cuerpos con variaciones de albedo o formas no esféricas.
A modo de ejemplo, incluso en el caso simple del efecto Yarkovsky estacional puro sobre un cuerpo esférico en una órbita circular con una oblicuidad de 90° , los cambios en el semieje mayor podrían diferir hasta en un factor de dos entre el caso de un albedo uniforme y el caso de una fuerte asimetría del albedo norte-sur. Dependiendo de la órbita y el eje de giro del objeto , el cambio de Yarkovsky en el semieje mayor puede revertirse simplemente cambiando de una forma esférica a una no esférica.
A pesar de estas dificultades, la utilización del efecto Yarkovsky es un escenario que se está investigando para alterar el curso de asteroides cercanos que podrían impactar con la Tierra . Las posibles estrategias de desviación de asteroides incluyen "pintar" la superficie del asteroide o enfocar la radiación solar sobre el asteroide para alterar la intensidad del efecto Yarkovsky y así alterar la órbita del asteroide para evitar una colisión con la Tierra. [5] La misión OSIRIS-REx , lanzada en septiembre de 2016, estudió el efecto Yarkovsky en el asteroide Bennu . [6]
En 2020, los astrónomos confirmaron la aceleración de Yarkovsky del asteroide 99942 Apophis . Los hallazgos son relevantes para evitar el impacto de asteroides , ya que se pensaba que 99942 Apophis tenía una probabilidad muy pequeña de impactar con la Tierra en 2068, y el efecto Yarkovsky era una fuente importante de incertidumbre en las predicciones. [7] [8]
En 2021, una colaboración multidisciplinaria entre profesionales y aficionados combinó mediciones de radar terrestre y satelital Gaia con observaciones de ocultación estelar realizadas por aficionados para refinar aún más la órbita de 99942 Apophis y medir la aceleración de Yarkovsky con alta precisión, con un margen de error del 0,5 %. Con esto, los astrónomos pudieron eliminar la posibilidad de una colisión con la Tierra durante al menos los próximos 100 años. [9]
^ Beekman, George (2005). «El científico casi olvidado John Osipovich Yarkovsky» (PDF) . Journal of the British Astronomical Association . 115 (4): 207. Bibcode :2005JBAA..115..207B. Archivado desde el original el 2021-08-12 . Consultado el 2021-08-12 .
^ Öpik, EJ (1951). "Probabilidades de colisión con los planetas y distribución de la materia interplanetaria". Actas de la Real Academia Irlandesa . 54A : 165–199. JSTOR 20488532.
^ ab Bottke, Jr., William F.; et al. (2006). "Los efectos Yarkovsky y YORP: implicaciones para la dinámica de los asteroides" (PDF) . Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 34 : 157–191. Bibcode :2006AREPS..34..157B. doi :10.1146/annurev.earth.34.031405.125154. S2CID 11115100. Archivado (PDF) desde el original el 2021-08-12 . Consultado el 2021-08-12 .
^ Chesley, Steven R.; et al. (2003). "Detección directa del efecto Yarkovsky mediante radar que mide la distancia hasta el asteroide 6489 Golevka" (PDF) . Science . 302 (5651): 1739–1742. Bibcode :2003Sci...302.1739C. doi :10.1126/science.1091452. PMID 14657492. S2CID 21091302. Archivado (PDF) desde el original el 2021-08-12 . Consultado el 2021-08-12 .
^ Randall, Keith (21 de febrero de 2013). "Los asteroides no son rival para una pistola de pintura, dice el profesor". Archivado desde el original el 2 de marzo de 2013. Consultado el 12 de agosto de 2021 .Enlace alternativo, con vídeo Archivado el 12 de agosto de 2021 en Wayback Machine.
^ "OSIRIS-REx - Preguntas y respuestas". Archivado desde el original el 2021-08-12 . Consultado el 2021-08-12 .
^ "El infame asteroide Apophis se está acelerando | EarthSky.org". earthsky.org . Archivado desde el original el 2 de mayo de 2021 . Consultado el 10 de noviembre de 2020 .
^ Tholen, D.; Farnocchia, D. (1 de octubre de 2020). "Detección de la aceleración de Yarkovsky de (99942) Apophis" (PDF) . Resúmenes de reuniones de la AAS/División de Ciencias Planetarias . 52 (6): 214.06. Código bibliográfico :2020DPS....5221406T. Archivado (PDF) del original el 12 de agosto de 2021 . Consultado el 12 de agosto de 2021 .
^ "Apophis' Yarkovsky Acceleration Improved Through Stellar Occultation" (La aceleración de Yarkovsky de Apophis mejorada mediante ocultación estelar). www.cosmos.esa.int . 26 de marzo de 2021. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2021 . Consultado el 12 de agosto de 2021 .
Enlaces externos
Nugent, CR; Margot, JL; Chesley, SR; Vokrouhlický, D. (2012). "Detección de desviaciones del eje semimayor en 54 asteroides cercanos a la Tierra: nuevas mediciones del efecto Yarkovsky" (PDF) . The Astronomical Journal . 144 (2): 60. arXiv : 1204.5990 . Bibcode :2012AJ....144...60N. doi :10.1088/0004-6256/144/2/60. S2CID 26376355.
Un asteroide empujado por la luz del sol: la medición más precisa del efecto Yarkovsky – ( ScienceDaily 2012-05-24)