Světlo hory přenáší (i roztáčí) – Jarkovského efekt

Ivan Osipovič Jarkovskij

Narodil se 24. května 1844 v obci Asveja na území dnešního Běloruska.

Vystudoval stavební školu a popsal jev, při kterém „lehké“ těleso mění nepatrně svoji dráhu při působení slunečního záření v době, kdy tento jev byl ještě neměřitelný a pro většinu vědecké obce neznámý.

V současnosti se s Jarkovského efektem setkáváme převážně se zkratkou YORP (Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddac).

Díky své nadčasové hypotéze byl Jarkovského efekt znovuobjeven nezávisle po více než čtyřiceti letech od jeho smrti již zmíněnou skupinou YORP. Tato práce využívá stejný jev, ale zabývala se působení na velmi malá tělesa (v řádu centimetrů), kde je tato síla schopná částice natolik roztočit, až se nakonec roztrhnout vyvolanou odstředivou silou. Menší tělesa nebo tělesa z kovů (planetky typu M) jsou díky lepšímu přenosu tepla na noční stranu tímto jevem mnohem méně zasažené.

Efekt YORP může popsat působení i na větší tělesa a může být vysvětlením častých přirozených satelitů u planetek, které by díky své nízké gravitaci nebyly schopny jinou planetku zachytit. Hypotéza pracuje s planetkami, které jsou převážně tvořeny „sutí“ a odstředivá síla vyvolána YORP efektem tak dokáže odtrhnout malé části, které pak budou nadále obíhat mateřskou planetku.

Jarkovského efekt

Je způsoben ozářením tělesa a postupným uvolňováním získané energie (tepla a hybnosti). Hybnost fotonu má hodnotu p = E/c

(E – energie v Joulech, c – rychlost světla 3x10⁸ m/s).

Potvrzení Jarkovského efektu

Od roku 1991 do 2003 po čtyřletých intervalech byla pozorována planetka (6489) Golevka přesným radarovým měřením. Výsledkem byla změna dráhy o 12 km a průměrná síla, která působila na planetku, měla hodnotu čtvrt newtonu.

Jarkovského efekt může zpomalit (v prográdní rotaci) těleso ve směrnici nebo naopak zpomalit (v retrográdní rotaci).

Prográdní rotace je směr rotace, kterým rotují až na výjimky skoro všechny planety a Slunce.

Retrográdní rotace je opačná k prográdní (např. Venuše).

Efekt YORP

Vychází ze stejné myšlenky jako Jarkovského efektu, ale zabývá se změnou rotace způsobenou točivým momentem. Světlo nese hybnost a působí na těleso nepravidelného tvaru a geometrie rotace. Energie pohlcena tělesem je pak vyzářena do opačného směru a těleso tak získává dodatečnou rychlost v rotaci. Můžeme si to představit jako lopatky větrného mlýnu.

Využitím Jarkovského efektu a YORP můžeme mimo jiné také ušetřit palivo vesmírné sondy.

Potvrzení YORP efektu

Blízkozemní planetka 54509 YORP byla objevena v roce 2000 a ihned se stala kandidátem na potvrzení zmíněného efektu. Změna rotace má hodnotu (2,0 ± 0,2) × 10⁻⁴ stupně/den² a zvýšila rotaci planetky o 0,7 otáčky za rok! Měření probíhalo od roku 2001 do 2005. Těleso má v současnosti periodu rotace kolem své osy asi 12 hodin.

Zvýšení rotace je tedy z pohledu dynamiky Sluneční soustavy velmi výrazný jev, se kterým se díky počtu ovlivněných těles „špatně drží krok“ a obtížně se měří.

Toto poznání dělá vrásky na čele mnoha astronomů, kteří se zabývají meziplanetární hmotou. Malé změny na dráze a kombinace gravitační síly planet mohou za delší časový úsek změnit dráhy planetek natolik, že v budoucnosti mohou ohrozit planetu Zemi. A přestože nezasáhnou Zemi přímo, mohou zasáhnout jiná menší tělesa, jejichž úlomky pak ve vzdálené budoucnosti mohou zasáhnout Zemi nebo další planety.

Naopak při použití řízeného efektu YORP u planetek můžeme spolu s kombinaci „gravitačního traktoru“, solární plachetnice nebo vhodného impaktoru s dostatečným předstihem změnit parametry Zemi ohrožujícího tělesa natolik, že naši planetu zcela mine. Z toho důvodu se astronomové zaměřují na užší skupinu blízkozemních planetek (NEO), které svými drahami protínají dráhu Země.

Praktického využití Jarkovského efektu můžeme docílit pokrytím planetky materiálem, který bude mít vyšší albedo (odrazivost) než má těleso pod ním nebo naopak. A tak měnit dráhu planetky vzhledem k její rotaci, hmotnosti a tvaru.

U těles s dlouhou periodou a momentálně „neobjevených“ v důsledku jejich velké vzdálenosti blízko odsluní, například u komet, musíme počítat kromě negravitačního Jarkovského efektu a YORP rovněž s měnící se hmotností tělesa způsobenou vypařováním těkavých látek při přibližování se ke Slunci. Je to vlastně efekt reakčního motoru, který působí na kometu.

Kromě záření fotonu ze Slunce může danou situaci ještě komplikovat sluneční vítr.

Ze všeho výše uvedeného vyplývá, že dva jevy způsobené stejnou příčinou ovlivňují jak rotaci tělesa, tak směr a hodnotu zrychlení v závislosti na zmíněné rychlosti a směru rotace.

Znalost tohoto jevu je důležitá jak pro poznání vývoje Sluneční soustavy, tak i z praktického použití pro planetární ochranu.

Do budoucna tedy můžeme očekávat pokusy o změny drah těles s využitím změny odrazivosti povrchu planetek, čímž by se vyvolala nepatrná změna jejich dráhy.

Možná se ale bude spíše jednat o ovlivnění dráhy srážkou jako tomu bylo u mise DART. Tam se pak prokazatelně pozorovala změna rychlosti oběhu měsíce planetky.

V současné době Jarkovského efekt vysvětlil dokonce i pozorovanou anomálii pohybu sond Pioneer 10 a 11, přestože v tomto případě hrálo větší roli záření z RTG (Radioizotopického Termoelektrického Generátoru).

V budoucnosti může sonda využívající YORP efekt složit k pohonu rychlých a lehkých sond. Akcelerace může být podobná jako u slunečních plachetnic. Jako zdroj fotonu by nejspíše sloužil výkonný laser.

Díky správné geometrii sondy můžeme vytvořit lehkou sondu a udělit jí prográdní nebo retrográdní rotaci. A tak jí můžeme poslat po spirále od Slunce nebo naopak ke Slunci.

Sonda poháněna YORP by měla nízkou počáteční rychlost i zrychlení, ale díky absenci vezeného paliva by byla schopna po delší době dosáhnou velmi vysokých rychlostí.

Dále může YORP efekt nahradit manévrovací motory na stlačený plyn, pokud se nevyžaduje rychlá změna polohy lodě. Efektu by se mohlo docílit výsuvnými křidélky černé barvy, které by byly schopny měnit geometrii a své albedo (např. díky tekutým krystalům). Případně lze stejný efekt využít pro stabilizační rotaci sond.

Nebude se jednat o žádnou zázračnou technologii, ale může pomoci zjednodušit konstrukci a snížit hmotnost vesmírných plavidel. Je možné, že toto hypotetické technické řešení bude nahrazeno solárními plachtami nebo kombinací obou jevů.

Na výsledné technické řešení si ale musíme ještě nějakých pár let počkat.

 

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Jarkovského a YORP efekt u sond letících dlouho vesmírem
[2] Anomálie Pioneerů