太阳风车——小行星的YORP效应丨天市垣
2023/4/19 17:00:00 中科院之声

     编者按：“仰望星空 逐梦苍穹”，中科院之声与中科院紫金山天文台联合开设“天市垣”栏目，和大家一起聊聊最近天上发生的那些事儿。

     引言

     当风吹过一个物体时，对物体施加压力，会产生力矩和力的作用。此原理是气体动力学的基本原理之一。风压原理被广泛应用于生活中，例如风车，帆船航海和风力发电机等(图1)。

    

     图1. 风力发电(图片来源：https://corporate.walmart.com)

     当阳光照射在物体上时，其光子被物体吸收或反射，光子的能量和动量传递给物体，从而产生了一定的力。光压原理已经被天文学家用来推动卫星，例如光帆动力卫星(图2)。

    

     图2.光帆2号(LightSail 2) 的太阳帆成功展开(图片来源：The Planetary Society)

     然而，太阳还有非常重要的一项技能——加热。被加热后物体的热辐射也能驱动物体运动，正如克鲁克斯辐射计那样转动，其原理就是温度差。

     在太阳系中，大量的旋转的小行星也在温度差的作用下加速或者减缓自身的转动，这个现象被称之为YORP效应。不过这种效应直到2000年才被天文学家所观测到。

     一、YORP效应的提出

     1901 年，俄罗斯工程师 Yarkovsky 发现加热自转的小行星可在其运动速度方向产生一个力的作用，能抵消“以太假说”中的阻力，即小行星吸收太阳辐射后表面升温，继发的热辐射产生横向反冲力，从而改变小行星轨道。该效应被命名为 Yarkovsky效应。

     1954 年，Radziecskii等人指出辐射压是改变小行星自转角速率的一种机制。

     1969 年，Paddack发现太阳辐射对小行星的自转角速率有明显影响，可产生“风车效应”(windmill effect)来改变小行星的自转角速率。

     随后，Paddack和其学生O’Keefe进行了用流水不断冲击不规则形状的石头的实验而验证了该效应。为了纪念 Yarkovsky，O’Keefe， Radzievskii 和 Paddack 这四位科学家在这种非引力效应研究中的贡献，该效应被命名为“YORP 效应”。

     由于对小行星物理特性的认识不足，很长一段时间内 YORP 效应研究处于停滞状态。直到 2000 年，Rubincam 等人才首次对小行星的 YORP 效应进行了定量研究，并给出了 YORP 效应力矩的计算公式，从而完成了 YORP 效应的理论体系的建立。

     2007年， Lowry 等人开展了小行星(54509)2000 PH5的自转特性的研究, 发现在YORP效应作用下其自转角速率发生了明显的变化；并首次通过光变直接测量了YORP旋转加速度。随后YORP效应也被应用于对废弃人造卫星的长期影响。

     二、YORP效应的原理

     在介绍YORP效应原理之前，我们来了解一下克鲁克斯辐射计。1875年，英国物理学家克鲁克斯发明了用于检测光和热辐射的工具，被称为克鲁克斯辐射计，也被称为光风车。其构造如视频所示：

     视频1. 克鲁克斯辐射计的构造和在阳光下的转动速度

     在一个密封的玻璃球壳内，装有一个直立轴，轴的上部用细长针状轴承载一个有四个与主轴平行的金属片，金属片两侧面分别为银白色和深黑色。深黑色面吸收热辐射，而银白色面反射了大量热辐射，深黑色一侧温度较高，即热辐射再发射时产生一个力矩推动金属片旋转，而且旋转方向必定是黑色一面向白色一面旋转。热辐射或太阳光照越强，转速则越快。在热强光源下，只需几秒就可达到最高转速。但是冷光源(例如室内照明的LED灯)的照射下不会发生转动。

     天上的小行星“沐浴”着热强光源——太阳，与克鲁克斯辐射计的黑色金属片一样，小行星会获得一种“BUFF”，小行星的这种热效应被称为YORP效应。YORP 效应原理如下图所示，即小行星的不规则形状导致其对太阳光的反射和受热后的热辐射局部不均匀，这种不均匀的反射和热辐射的反冲力在小行星上施加了一个净力矩，虽然该净力矩很小，但长期累积作用可使小行星的自转状态发生明显的改变。

    

     图3. 不规则小行星表面的YORP效应原理示意图(图片来源：Wikipedia.)

     三、YORP效应的探测

     YORP效应本质是一种热效应，在这种自转“BUFF”下，可以加速或者减速小行星的自转。此外，YORP效应还可以作用于小行星的自转轴指向和进动，不过目前的数据集十分难探测到其改变量。

     目前有11颗小行星被观测到这种现象，按照天文学家耿直的取名方法，第一个这样的小行星就直接命名为YORP小行星。它奇特的形状正如“风车”一样，使得它加速自转，不过，这个加速度相对缓慢，通过光变和雷达等数据，获得了YORP小行星在不同时间的自转周期，并计算得到了该小行星的YORP旋转加速度为：(3.49±0.30)×10^-6 rad/day² 。即根据YORP的光变数据可得该小行星的自转相位在2001年时比2000年多转过约13度。小行星的自转相位的改变量与时间的平方成正比，故对2005年的光变数据分析发现，YORP小行星比2000年多转过约200度。由此发现了小行星上的YORP效应。

    

    

     图4. (54509) YORP小行星通过雷达数据获得的形状模型(图片来源：Taylor et al. 2007)

     截止目前，11颗已被探测到YORP旋转加速度的小行星均为正值，即均在加速小行星的自转，还没有发现YORP效应作用下减速自转的小行星。然而，YORP效应减速小行星自转不仅是YORP理论的预测结果，也是实验模型的计算结果。那么，这是观测选择效应导致的还是小行星固有的动力学特征呢？想要回答该问题，仍需要进一步扩大对小行星YORP效应的探测研究样本。

     四、YORP效应的研究前沿和科学意义

     YORP加速自转造成分裂

     YORP效应会加速小行星的自转，是双小行星/多小行星系统形成的重要机制之一。大部分小行星呈碎石堆结构，在YORP效应的作用下，小行星不仅会发生形变，而且当自转速度变快，离心力大于小行星的内聚力时，小行星会发生分裂，形成两个或者多个小行星。

     视频2. 视频模拟了小行星加速自转分裂为两个小行星的过程，其中在加速自转的过程中，小行星出现了下文提及的“赤道脊”结构。(来源：ESA/Kevin J. Walsh, Derek C. Richardson, Patrick Michel。)

     YORP加速自转重塑形状

     YORP 效应也可能是小行星表面物质迁移的机制之一。2018 年，Graves 等人认为 YORP 效应是小行星表面结构重塑的有效机制，小行星表面物质的迁移使得小行星风化层下的物质裸露，其光谱型与风化层物质的光谱型存在差异，在观测中表现为光谱型为Q型的小行星丰度较高。在YORP效应作用下小行星加速自转，中纬度区的物质向赤道区迁移并形成“赤道脊”(equatorial ridge)，例如小行星(101955) Bennu和小行星(162173) Ryugu。2021 年， Cheng 等人通过动力学模拟指出YORP效应是小行星“赤道脊”形成的关键机制。但是， 2020 年，Michel 等人发现小行星(101955) Bennu的赤道区存在古老的陨石坑，若“赤道脊”在陨石坑后形成，YORP效应作用下小行星表面的物质迁移会填满古老的陨石坑，故这与YORP效应导致小行星出现“赤道脊”特征的原理相悖。表明“赤道脊”特征可能早在陨石坑形成前就存在了。综上所述， YORP 效应在小行星表面形状的演化中到底扮演着什么样的角色，仍需要进一步研究。

    

     图5. 存在“赤道脊”结构的陀螺型小行星(图片来源：Cheng et al.2020)

     YORP加速导致活动性

     YORP 效应是活动小行星 (active asteroid) 的活动性触发机制之一。YORP效应会加速小行星，使得小行星表层物质内聚力小于离心力而发生碎裂并脱落，小行星表层物质下的冰水物质受热挥发，而表现出活动性。2019年，小行星 (6478) Gault 突然出现两条尘埃尾，Kleyna等人通过尘埃动力学模型(finson-probstein approach) 分析了该小行星两条尘埃尾的粒径大小分布，指出活动小行星(6478) Gault 的尘埃喷射是由 YORP 效应导致的。2019 年 3 月, 冥王号近距离探测到了(101955) Bennu小行星的表面粒子喷射事件，将Bennu归为活动小行星，目前正在深入研究 YORP 效应触发粒子喷射的机制。

    

     图6. 哈勃空间望远镜观测到(6478) Gault突然出现的两条尘埃尾(图片来源：Kleyna J et al.2019)

     视频3. 冥王号拍摄到了(101955) Bennu小行星表面的粒子喷射现象。(来源：NASA)

     YORO效应与深空探测

     目前近地小行星的高精度撞击风险评估与YORP效应密切相关。在长期累积作用下，YORP效应会影响潜在威胁小行星的自转姿态，这不仅会影响对潜在威胁小行星撞击概率的评估，而且在未来深空探测任务中，会影响着陆器对着陆点的精确定位。此外，YORP效应还被应用于对废弃人造卫星运动状态的研究中。随着人造天体的不断增加，大量形状不规则的废弃人造卫星受YORP效应影响明显。通过研究YORP效应对人造卫星的影响，有利于未来主动清除废弃的人造卫星和更好地提供卫星在轨服务。

    

     图7. 大量的废弃的人造天体已经充斥着整个太空，未来进行主动清理已十分必要。(图片来源：NASA)

     综上，小行星的YORP效应不仅与小行星的演化息息相关，也与人类的深空探测活动密切相关，对小行星YORP效应需要继续深入研究。

     参考文献：1. The Planetary Society：https://www.planetary.org/；2. O. Y I., The density of luminiferous ether and the resistance it offers to motion.[D]. Charles:Charles University, 2006: 153.3. V. R V., Problem of photo gravitational celestial mechanics[J]. Dissertation State Astronomical Observatory, 1954.4. Paddack S J., Rotational bursting of small celestial bodies: Effects of radiation pressure.[J/OL]. Journal of Geophysical Research, 1969, 74(17): 4379-4381. DOI: 10.1029/JB074i017p04379.5. Rubincam D P., Radiative Spin-up and Spin-down of Small Asteroids[J/OL]. Icarus, 2000,148(1): 2-11. DOI: 10.1006/icar.2000.6485.6. Taylor P A.,Margot J., Vokrouhlicky D., Spin Rate of Asteroid (54509) 2000 PH5 Increasing Due to the YORP Effect. SCIENCE, 2007, 316:274-277.7. Cheng B, Yu Y, Asphaug E, et al. Reconstructing the formation history of top-shaped asteroids from the surface boulder distribution[J/OL]. Nature Astronomy, 2021, 5: 134-138. DOI:10.1038/s41550-020-01226-7.8. Zhang Y, Michel P, Barnouin O S, et al. Numerical modeling of Bennu’s structural stability and implications for its internal and surface properties[C/OL]//European Planetary Science Congress. 2020: EPSC2020-722. DOI: 10.5194/epsc2020-722.9. Kleyna J T, Hainaut O R, Meech K J, et al. The Sporadic Activity of (6478) Gault: A YORPdriven Event?[J/OL]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 874(2): L20. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0f40.

     10. NASA:https://www.nasa.gov/.

     来源：中国科学院紫金山天文台

    

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