YORP効果

ヤルコフスキー・オキーフ・ラジエフスキー・パダック効果、略してYORP効果は、小さな天体の表面での太陽放射の散乱とそれ自身の熱放射の放出により、天体の自転状態、つまり天体の自転速度と極の傾斜角を変化させます。

YORP 効果は、太陽系内の太陽中心軌道を持つ小惑星に典型的に影響すると考えられています。この効果は、連星系小惑星や回転小惑星の生成、および小惑星の極を黄道面に対して 0 °、90 °、または 180 ° の方向に変更し、ヤルコフスキー効果により太陽中心軌道の半径方向のドリフト率を変更する原因となっています。

この用語は、2000年にデイビッド・P・ルビンカム^[1]によって、いわゆるYORP効果の概念の背後にある重要な貢献者4名に敬意を表して造られた。19世紀、イヴァン・ヤルコフスキーは、太陽によって温められた物体から放出される熱放射が熱だけでなく運動量も運ぶことに気づいた。現代物理学に翻訳すると、放出された各光子は運動量p = E/cを持ち、ここでEはエネルギー、cは光速である。ウラジミール・ラジエフスキーは、アルベドの変化に基づく回転にこの考えを適用し^[2]、スティーブン・パダックは、物体の回転速度を変えるには形状の方がはるかに効果的であることを認識した。^[3]スティーブン・パダックとジョン・オキーフは、YORP効果が回転バーストにつながり、このプロセスを繰り返し経験することで、小さな非対称物体は最終的に塵と化すと示唆した。^{[4] [5]}

原則として、電磁放射は小惑星の表面と3つの重要な方法で相互作用します。太陽からの放射は(1)吸収され、(2)物体の表面で拡散反射され、物体の内部エネルギーは(3)熱放射として放出されます。光子は運動量を持っているため、これらの相互作用のそれぞれが、物体の質量中心に対する角運動量の変化につながります。短期間だけを考えた場合、これらの変化は非常に小さいですが、より長い期間にわたって考えると、これらの変化は物体の角運動量の大きな変化につながる可能性があります。太陽中心軌道にある物体の場合、関連する長い期間は軌道周期（つまり年）です。これは、ほとんどの小惑星の自転周期（つまり日）が軌道周期よりも短いためです。したがって、ほとんどの小惑星にとって、YORP効果は、最初に自転周期、次に軌道周期にわたって 太陽放射トルクを平均した後の小惑星の自転状態の永年変化です。

2007年には、小型小惑星54509 YORP（当時は2000 PH 5と命名）^{[6] [7]}と1862 Apollo ^[8]におけるYORP効果の直接観測確認がありました。54509 YORPの自転速度はわずか60万年で2倍になり、YORP効果は軸の傾きと歳差運動速度も変えることができるため、YORP現象全体が小惑星を興味深い共鳴自転状態に送り込み、連星小惑星の存在を説明するのに役立ちます。^[9]

観測によると、直径125 kmを超える小惑星の自転速度はマクスウェル分布に従うのに対し、より小さな小惑星（50～125 kmの範囲）では高速自転天体がわずかに多い。最も小さな小惑星（50 km未満の大きさ）では、非常に高速および低速自転天体が明らかに多く、より小さなサイズの天体を測定すると、この傾向がさらに顕著になる。これらの結果は、1つまたは複数のサイズ依存のメカニズムによって、自転速度分布の中心が減り、極端な天体が多くなっていることを示唆している。YORP効果がその第一候補である。YORP効果だけでは大型小惑星の自転速度を大幅に変えることはできないため、253 Mathildeのような天体については別の説明を探す必要がある。

2013年後半、小惑星P/2013 R3が分裂する様子が観測されたが、これはYORP効果による高速自転が原因である可能性が高い。^[10]

回転する球状の小惑星の赤道に 2 つのくさび形のフィンが付いていて、太陽光線が平行に照射されていると仮定します。球状の核の任意の表面要素から発せられる光子からの反作用力は表面に対して垂直になるため、トルクは発生しません (力のベクトルはすべて質量の中心を通過します)。

しかし、くさびの側面から再放射される熱放出光子は、法線ベクトルが質量の中心を通過しないため、トルクを生じます。両方のフィンは入射光に対して同じ断面積（高さと幅が同じ）を示し、それぞれ同じ量のエネルギーを吸収および反射し、同じ力を生成します。ただし、フィンの表面が斜めであるため、再放射された光子からの法線力は打ち消されません。図では、フィンAの放射は入射光と平行な赤道力を生み出し、垂直力は生み出しませんが、フィンBの力は赤道成分が小さく、垂直成分があります。2つのフィンにかかる不均衡な力はトルクにつながり、物体は回転します。出射光からのトルクは、1回転しても平均化されないため、時間の経過とともに回転が加速します。^[11]

したがって、ある程度の「風車」非対称性を持つ物体は、回転軸を歳差運動させるだけでなく、物体を上下に回転させる傾向のある微小なトルク力を受ける可能性があります。表面温度やアルベドに不規則性がない場合、回転楕円体 に対する YORP 効果はゼロです。

長期的には、物体の傾斜角と自転速度の変化は、いくつかの要因に応じて、ランダム、無秩序、または規則的に変動する可能性があります。たとえば、太陽が赤道上に留まると仮定すると、半径6 km、半径2.21 AUの小惑星951 ガスプラは、2億4000万年後には自転周期が12時間から6時間に、またはその逆に変わります。243アイダにガスプラと同じ半径と軌道値が与えられた場合、2倍の速さで自転します。一方、フォボスの形状の天体では、自転を同じ量変えるのに 数十億年かかります。

大きさと形が効果の大きさに影響する。小さい物体は、はるかに速く回転する。ガスプラが10分の1（半径500メートル）に小さければ、その回転はわずか数百万年で半分または2倍になる。同様に、YORP効果は太陽に近い物体ほど強くなる。1AUでは、ガスプラはわずか10万年で回転速度が2倍/半分になる。100万年後には、その周期は約2時間に短縮され、その時点で分裂し始める可能性がある。^{[要出典] 2019年のモデルによると、YORP効果は、太陽が明るい}赤色巨星に膨張するにつれて「小惑星の広範囲にわたる断片化」を引き起こす可能性があり、多くの白色矮星で観測される塵の円盤と見かけ上の落下物質を説明できる可能性がある。^{[12] [13]}

これは連星系小惑星が形成されるメカニズムの 1 つであり、連星系形成の主な手段としては、衝突や惑星の接近遭遇による潮汐破壊よりも一般的である可能性があります。

小惑星2000 PH _{5 は、}この現象の確認に貢献したことを称えて、 後に54509 YORPと命名されました。

• 101955 ベンヌ – 炭素質小惑星
• 25143 イトカワ—宇宙船が訪れた最小の小惑星
• 54509 YORP  – 地球共軌道小惑星
• 放射圧 – 電磁放射にさらされた表面にかかる圧力
• 放射計 – 電磁放射の放射束（パワー）を測定する装置
• ヤルコフスキー効果 – 宇宙空間で回転する物体に作用する力

• オキーフ、ジョン A. (1976)。テクタイトとその起源。エルゼビア。原稿/レポートの下書き。
• Paddack, Stephen J (1969). 「小天体の回転バースト: 放射圧の影響」J. Geophys. Res . 74 (17): 4379–4381. Bibcode :1969JGR....74.4379P. doi :10.1029/jb074i017p04379.
• Radzievskii, VV (1954)。「小惑星と隕石の崩壊のメカニズム」。SSSR国立科学アカデミー紀要。97 : 49–52。
• Rubincam, David P (2000). 「小型小惑星の放射スピンアップとスピンダウン」Icarus . 148 (1): 2–11. Bibcode :2000Icar..148....2R. doi :10.1006/icar.2000.6485.

• Statler, Thomas S. (2009-03-05). 「小規模地形に対する YORP 効果の極度な感度」Icarus . 202 (2): 502–513. arXiv : 0903.1119 . Bibcode :2009Icar..202..502S. doi :10.1016/j.icarus.2009.03.003. S2CID  18935544.
• Vokrouhlicky, David; Bottke, William F. (2012). 「ヤルコフスキー効果とYORP効果」Scholarpedia . 7 (5): 10599. arXiv : 1502.01249 . Bibcode :2012SchpJ...710599B. doi : 10.2458/azu_uapress_9780816532131-ch027 .

• Klotz, Irene (2007-03-07)。「太陽光によって変化する小惑星のスピン」。Discovery Communications, LLC。2008-04-26にオリジナルからアーカイブ。
• 小惑星の回転の発見が報告される