Efecto Yarkovsky

En astrofísica , el efecto Yarkovsky es una fuerza que actúa sobre un cuerpo en rotación 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 entre 10 cm y 10 km de diámetro), ya que su influencia es más significativa en estos cuerpos.  

El efecto fue descubierto por el ingeniero civil polaco-ruso ^{[ 1 ]} Ivan Osipovich Yarkovsky (1844-1902 ) , quien trabajaba en Rusia en problemas científicos en su tiempo libre. En un folleto escrito alrededor del año 1900, Yarkovsky observó que el calentamiento diario de un objeto en rotación en el espacio le haría experimentar una fuerza que, aunque pequeña, podría generar grandes efectos a largo plazo en las órbitas de cuerpos pequeños, especialmente meteoroides y asteroides pequeños . La intuición de Yarkovsky habría caído en el olvido de no ser por el astrónomo estonio Ernst J. Öpik (1893-1985 ) , quien leyó el folleto de Yarkovsky alrededor de 1909. Décadas después, Öpik, recordando el folleto de memoria, analizó la posible importancia del efecto Yarkovsky en el movimiento de los meteoroides alrededor del Sistema Solar . ^{[ 2 ]}

El efecto Yarkovsky es consecuencia del hecho de que el cambio en la temperatura de un objeto calentado por radiación (y, por lo tanto, la intensidad de la radiación térmica que emite el objeto) se retrasa con respecto a los cambios en la radiación incidente. Es decir, la superficie del objeto tarda en calentarse al ser iluminada inicialmente y tarda en enfriarse cuando cesa la iluminación. En general, este efecto consta de dos componentes:

• Efecto diurno : En un cuerpo en rotación iluminado por el Sol (como 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 solar y su emisión en forma de calor, por lo que la superficie alcanza su temperatura máxima no cuando el Sol está en su punto más alto, sino un poco más tarde. Esto genera una diferencia entre las direcciones de absorción y reemisión de la radiación, lo que produce una fuerza neta en la dirección del movimiento orbital. Si el objeto tiene una rotación prograda , la fuerza actúa en la dirección del movimiento orbital y provoca que el semieje mayor de la órbita aumente progresivamente: el objeto se aleja del Sol en espiral. Un objeto con rotación retrógrada se acerca en espiral. El efecto diurno es el componente dominante para cuerpos con un diámetro superior a unos 100 m. ^{[ 3 ]}
• Efecto estacional : Esto se comprende mejor en el caso idealizado de un cuerpo no giratorio que orbita alrededor del Sol, donde cada "año" consta de un solo "día". A medida que se desplaza por su órbita, el hemisferio "oscuro", que se ha calentado durante un largo período previo, se encuentra invariablemente en la dirección del movimiento orbital. El exceso de radiación térmica en esta dirección genera una fuerza de frenado que provoca que el cuerpo gire en espiral hacia el Sol. En la práctica, para los cuerpos giratorios, este efecto estacional aumenta con la inclinación axial . Solo predomina si el efecto diurno es lo suficientemente pequeño. Esto puede ocurrir debido a una rotación muy rápida (sin tiempo para enfriarse en el lado nocturno, lo que resulta en una distribución de temperatura longitudinal casi uniforme ), un tamaño pequeño (todo el cuerpo se calienta por completo) o una inclinación axial cercana a 90°. El efecto estacional es más importante para fragmentos de asteroides más pequeños (desde unos pocos metros hasta unos 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 predominar. ^{[ 3 ]}

En general, el efecto depende del tamaño y afecta al semieje mayor de los asteroides más pequeños, mientras que los asteroides grandes prácticamente no se ven afectados. Para asteroides de un kilómetro de tamaño, el efecto Yarkovsky es minúsculo en periodos cortos: la fuerza sobre el asteroide 6489 Golevka se ha estimado en 0,25 newtons , para una aceleración neta de 10⁻¹² ^m  /s² ^{. 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 muy excéntricas .

El efecto se midió por primera vez entre 1991 y 2003 en el asteroide 6489 Golevka . El asteroide se desvió 15  km de su posición prevista durante 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 mediciones directas, es muy difícil predecir el resultado exacto del efecto Yarkovsky en la órbita de un asteroide. Esto se debe a que la magnitud del efecto depende de muchas variables difíciles de determinar con la información observacional limitada disponible. Estas variables incluyen la forma exacta del asteroide, su orientación y su albedo . Los cálculos se complican aún más por los efectos de la sombra y la "reiluminación" térmica, ya sea causada por cráteres locales o por una posible forma cóncava general. El efecto Yarkovsky también compite con la presión de radiación , cuyo efecto neto puede generar fuerzas pequeñas similares a largo plazo en cuerpos con variaciones de albedo o formas no esféricas.

Por ejemplo, incluso en el caso simple del efecto Yarkovsky estacional puro sobre un cuerpo esférico en una órbita circular con una oblicuidad de 90° , las variaciones del semieje mayor podrían ser hasta dos veces mayores entre el caso de un albedo uniforme y el caso de una fuerte asimetría de albedo norte-sur. Dependiendo de la órbita y el eje de rotación del objeto , la variación del semieje mayor debida al efecto Yarkovsky puede revertirse simplemente cambiando de una forma esférica a una no esférica.

A pesar de estas dificultades, el uso del efecto Yarkovsky es un escenario que se está investigando para alterar la trayectoria de asteroides cercanos a la Tierra que podrían impactar contra ella . Las posibles estrategias de desviación de asteroides incluyen "pintar" la superficie del asteroide o concentrar la radiación solar sobre él para alterar la intensidad del efecto Yarkovsky y, por lo tanto, modificar 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 la prevención de impactos de asteroides , ya que se creía que 99942 Apophis tenía una probabilidad muy pequeña de impactar la Tierra en 2068, y el efecto Yarkovsky era una fuente significativa de incertidumbre en las predicciones. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En 2021, una colaboración multidisciplinaria entre profesionales y aficionados combinó mediciones del satélite Gaia y de radares terrestres con observaciones de ocultación estelar de aficionados para refinar aún más la órbita de 99942 Apophis y medir la aceleración de Yarkovsky con alta precisión, dentro del 0,5 %. Con estos datos, los astrónomos pudieron eliminar la posibilidad de una colisión con la Tierra durante al menos los próximos 100 años. ^{[ 9 ]}

• Asteroide
• Efecto Poynting-Robertson
• Presión de radiación
• Efecto YORP

• Nugent, CR; Margot, JL; Chesley, SR; Vokrouhlický, D. (2012). "Detección de derivas del semieje mayor 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 . 
• "Asteroide influenciado por la luz solar: la medición más precisa del efecto Yarkovsky" . ScienceDaily . 24 de mayo de 2012.