ヤルコフスキー効果

ヤルコフスキー効果は、運動量を運ぶ熱光子の異方性放出によって引き起こされる、宇宙で回転する物体に作用する力です。この効果は、流星体や小さな小惑星（直径約 10 cm ～ 10 km）に対して最も大きな影響を与えるため、通常、これらの物体 に関連して考えられます。

この効果は、ポーランド系ロシア人^[1]の土木技師イヴァン・オシポヴィッチ・ヤルコフスキー（1844–1902）によって発見された。ヤルコフスキーは、余暇にロシアで科学的問題に取り組んでいた。ヤルコフスキーは、1900年頃にパンフレットに、宇宙で回転する物体が毎日加熱されると、たとえわずかでも小天体、特に流星体や小型小惑星の軌道に大きな長期的影響を及ぼす力を受けると記した。ヤルコフスキーの洞察は、1909年頃にヤルコフスキーのパンフレットを読んだエストニアの天文学者エルンスト・J・オピック（1893–1985）がいなければ忘れ去られていただろう。数十年後、オピックはパンフレットを記憶から呼び起こし、太陽系の周りの流星体の動きに対するヤルコフスキー効果の重要性の可能性について論じた。^[2]

ヤルコフスキー効果は、放射によって温められた物体の温度の変化（つまり物体からの熱放射の強度の変化）が入射放射の変化より遅れるという事実の結果です。つまり、物体の表面は最初に照らされたときに暖かくなるまでに時間がかかり、照明が止まると冷えるまでに時間がかかります。一般に、この効果には 2 つの要素があります。

• 日周効果: 太陽に照らされた回転体 (小惑星や地球など) の表面は、日中は太陽放射によって暖められ、夜間は冷えます。表面の熱特性により、太陽からの放射の吸収と放射の熱としての放出の間に遅れが生じ、表面が最も暖かくなるのは太陽がピークのときではなく、それより少し後です。この結果、放射の吸収と再放出の方向が異なり、軌道の運動方向に沿って正味の力が生じます。物体が順行回転体の場合、力は軌道の運動方向に作用し、軌道の長半径が着実に増加します。物体は太陽から遠ざかる方向にらせん状に回転します。逆行回転体の場合は、内側にらせん状に回転します。直径が約 100 m を超える物体の場合、日周効果が支配的な要素となります。^[3]
• 季節的影響: これは、太陽の周りを回る非回転物体の理想的なケースで最も簡単に理解できます。この場合、各「年」はちょうど 1「日」で構成されます。軌道を回ると、長い期間にわたって加熱された「夕暮れ」の半球は、常に軌道運動の方向にあります。この方向への熱放射の過剰により、常に太陽に向かって内側に螺旋状に回転するブレーキ力が発生します。実際には、回転物体の場合、この季節的影響は軸の傾きとともに増加します。これは、日周効果が十分に小さい場合にのみ支配的です。これは、非常に速い回転 (夜側で冷却する時間がなく、したがってほぼ均一な経度温度分布)、小さいサイズ (物体全体が全体的に加熱される)、または軸の傾きが 90° に近いために発生する可能性があります。季節的影響は、表面が絶縁性のレゴリス層で覆われておらず、極端に遅い回転をしていない限り、より小さな小惑星の破片 (数メートルから約 100 メートルまで) にとってより重要です。さらに、衝突によって天体の自転軸が繰り返し変化する（したがって日周効果の方向も変化する）ような非常に長い時間スケールでは、季節効果も支配的になる傾向がある。^[3]

一般に、その効果はサイズに依存し、小さな小惑星の軌道長半径に影響しますが、大きな小惑星にはほとんど影響しません。数キロメートルの大きさの小惑星の場合、ヤルコフスキー効果は短期間ではごくわずかです。小惑星6489 ゴレフカにかかる力は0.25ニュートン、正味の加速度は 10 ⁻¹²  m/s ^{2と推定されています。しかし、それは一定であり、数百万年の間に小惑星の軌道は}小惑星帯から太陽系内部に 運ばれるほどに乱される可能性があります。

強い偏心軌道にある天体の場合、このメカニズムはより複雑になります。

この効果は1991年から2003年にかけて小惑星6489ゴレフカで初めて測定された。小惑星は12年間で予測された位置から15km漂流した（軌道は1991年、1995年、1999年にアレシボ電波望遠鏡による一連のレーダー観測によって非常に正確に確立された）。^[4]

直接測定しなければ、特定の小惑星の軌道に対するヤルコフスキー効果の正確な結果を予測するのは非常に困難です。これは、効果の大きさが、利用可能な限られた観測情報から判断するのが難しい多くの変数に依存するためです。これには、小惑星の正確な形状、方向、およびアルベドが含まれます。計算は、局所的なクレーターまたは全体的な凹面形状によって引き起こされる影と熱による「再照明」の影響によってさらに複雑になります。ヤルコフスキー効果は放射圧とも競合し、その正味の効果は、アルベドの変化や非球形を持つ物体に対して同様の小さな長期的な力を引き起こす可能性があります。

一例として、90°の傾斜角を持つ円軌道上の球体に対する純粋な季節ヤルコフスキー効果の単純なケースであっても、半長軸の変化は、均一なアルベドの場合と強い南北アルベド非対称の場合とで最大2倍異なる可能性があります。物体の軌道と自転軸によっては、半長軸のヤルコフスキー変化は、球形から非球形に変化するだけで逆転する場合があります。

これらの困難にもかかわらず、ヤルコフスキー効果を利用することは、地球に衝突する可能性のある地球近傍小惑星の進路を変えるために調査中のシナリオの1つです。考えられる小惑星の軌道変更戦略には、小惑星の表面を「ペイント」したり、太陽放射を小惑星に集中させてヤルコフスキー効果の強度を変え、小惑星の軌道を地球との衝突から遠ざけることが含まれます。^{[5] 2016年9月に打ち上げられた}OSIRIS-RExミッションは、小惑星ベンヌのヤルコフスキー効果を研究しました。^[6]

2020年、天文学者は小惑星99942アポフィスのヤルコフスキー加速を確認した。99942アポフィスは2068年に地球に衝突する可能性が非常に低いと考えられており、ヤルコフスキー効果が予測の不確実性の大きな原因であったため、この発見は小惑星衝突回避に関連している。 ^{[7] [8]} 2021年には、多分野にわたる専門家とアマチュアの協力により、ガイア衛星と地上レーダーの測定とアマチュアの恒星掩蔽観測が組み合わされ、99942アポフィスの軌道がさらに改良され、ヤルコフスキー加速度が0.5%以内の高精度で測定された。これにより、天文学者は少なくとも今後100年間は地球との衝突の可能性を排除することができた。^[9]

• 小惑星
• ポインティング・ロバートソン効果
• 放射圧
• YORP効果

• Nugent, CR; Margot , JL; Chesley, SR; Vokrouhlický, D. (2012). 「54 個の地球近傍小惑星における半長軸のドリフトの検出: ヤルコフスキー効果の新たな測定」( PDF )。天文学ジャーナル。144 (2): 60。arXiv : 1204.5990。Bibcode : 2012AJ ....144 ... 60N。doi :10.1088/0004-6256/144/2/60。S2CID  26376355。
• 太陽光で小惑星が動く: ヤルコフスキー効果の最も正確な測定 – ( ScienceDaily 2012-05-24)