Wat is het Yarkovsky-effect?

Asteroïde Bennu
Asteroid Bennu. Illustration: NASA/Goddard/University of Arizona

Het Yarkovsky effect is een minuscuul duwtje op een klein lichaam in de ruimte dat wordt veroorzaakt door niets meer dan het licht van de Zon.

Het is wellicht moeilijk voor te stellen maar het licht van de Zon is in staat om de baan van asteroïden en kometen te veranderen. Op dit moment staat de asteroïde Bennu vol in de belangstelling. Een ruimtesonde van de NASA heeft daar onlangs wat materiaal verzameld dat in 2023 afgeleverd moet worden op de Aarde. Van Bennu is al sinds 2012 bekend dat hij een heel zacht duwtje ondergaat. Dit duwtje wordt het Yarkovsky-effect genoemd. Het is een minuscuul duwtje op een asteroïde veroorzaakt door niets meer dan zonlicht.

Het effect van zonlicht op draaiende asteroïden is klein vergeleken met de zwaartekrachten die op een asteroïde werken tijdens hun reis door het zonnestelsel. Maar over een periode van vele jaren neemt het kleine stuwende effect van zonlicht wel toe. Het zorgt ervoor dat asteroïden moeite hebben om in hun baan te blijven. Draaiende asteroïden drijven daardoor in de tijd af. Het is een belangrijke factor die er voor zorgt dat astronomen de lange termijnrisico’s van asteroïden die de aardbaan kruisen, en daardoor in botsing kunnen komen met onze planeet, lastig kunnen berekenen.

Het Yarkovsky-effect, ook wel YORP genoemd (Yarkovsky-O’Keefe-Radzievskii-Paddack) treedt op omdat, net als op de Aarde, de zijde van een asteroïde die naar de Zon is gericht, wordt verwarmd door zonlicht. Op asteroïde Bennu bijvoorbeeld duurt een enkele rotatie slechts 4 uur en 18 minuten dus het deel dat naar de Zon toe is gericht verschuift constant. Terwijl Bennu ronddraait straalt de asteroïde voortdurend warmte uit vanuit zijn steeds veranderende zonovergoten zijde. Omdat het oppervlak overdag opwarmt en ’s nachts weer afkoelt geeft Bennu straling af die kan werken als een soort van mini stuwraket.

Deze kleine kracht is het Yarkovsky-effect (ook wel de Yarkovsky-versnelling genoemd). Hierdoor blijkt de rotatie van Bennu met ongeveer 1 seconde per eeuw te versnellen. Met andere woorden, per 100 jaar wordt de rotatieperiode van Bennu ongeveer 1 seconde korter.

Het Yarkovsky-effect verandert ook de baan van asteroïden. Asteroïden die in een prograde baan (dat wil zeggen de asteroïde draait in dezelfde richting om zijn as als in zijn baan) draaien krijgen een duw in de richting van hun baanbeweging. De asteroïde versnelt en de baan wordt een beetje wijder.

Het tegenovergestelde gebeurt voor een asteroïde die in een retrograde beweging zit, die asteroïde draait tegengesteld aan zijn baan om zijn as. Een retrograde asteroïde wordt als gevolg van het Yarkovsky-effect teruggeduwd. De asteroïde vertraagt en valt richting de Zon in een steeds kleiner wordende baan.

In onderstaande video legt het OSIRIS-REx-team uit hoe het werkt:

Om een ruimtesonde met succes naar een asteroïde te sturen moet de baan heel nauwkeurig bekend zijn. Daarom hebben astronomen, in het geval van Bennu, iedere nauwe passage bestudeerd en met behulp van radiotelescopen signalen naar de asteroïde gestuurd en de tijd gemeten die nodig was om ze weer te ontvangen. Door de vertraging in het signaal te meten kan men dan de afstand van de asteroïde tot de Aarde berekenen. Voor Bennu begonnen die waarnemingen al in 1999, het jaar waarin de asteroïde werd ontdekt. Met behulp van de Arecibo en Goldstone radiotelescopen werd in deze eeuw het Yarkovsky-effect waargenomen op Bennu. Deze twee krachtige telescopen kunnen, net als radar, ook signalen verzenden in plaats van alleen maar ontvangen.

Tussen 1999 en 2012, het jaar waarin de meting van het Yarkovsky-effect voor Bennu werd aangekondigd, was de asteroïde ongeveer 160 kilometer afgeweken van zijn oorspronkelijke baan. Dit verschil is volledig toe te schrijven aan de straling van de Zon die het oppervlak van de asteroïde opwarmt.

Net als de spreekwoordelijke schildpad die tegen de haas rent zo langzaam en stabiel manifesteert zich ook het Yarkovsky-effect. Als je denkt dat de stuwkracht die door de straling wordt veroorzaakt klein is dan heb je helemaal gelijk. Bennu heeft een massa van ongeveer 68 miljoen ton en heeft een doorsnede van ongeveer 500 meter. Die massa wordt rond geduwd door een kracht die gelijk is aan het gewicht van drie druiven op Aarde: 14 gram!

Om de evolutie van ons zonnestelsel te begrijpen moet rekening gehouden worden met alle krachten die er spelen, hoe klein dan ook. Als het gewicht van drie druiven een hele asteroïde in twaalf jaar tijd met 160 kilometer uit koers kan duwen hoe zit het dan met meer dan 100 jaar? Of 100.000 jaar? Of een miljard jaar?

Ivan Yarkovsky
Ivan Yarkovsky. (1844-1902) Link

Het Yarkovsky-effect werd omstreeks 1900 voor het eerst beschreven door de Russische ingenieur Ivan Yarkovsky. Yarkovsky werd in 1844 geboren. Hij werkte meer dan 20 jaar voor de Alexandrovsk spoorwegmaatschappij. Gedurende die tijd hield hij zich ook met andere wetenschappelijke uitdagingen bezig. Zijn interesse in de beweging van de planeten leidde tot een publicatie waarin hij het effect dat later zijn naam zou dragen, beschreef. Als zijn werk niet door Ernst Opik was herontdekt en in 1951 was gepubliceerd was het vermoedelijk verloren gegaan.

Sinds Yarkovsky zijn overpeinzingen publiceerde zijn astronomen tot het besef gekomen dat zijn effect hoogstwaarschijnlijk hele families asteroïden drastisch heeft veranderd en dat het effect een belangrijke rol heeft gespeeld bij de bewegingen van objecten in de belangrijkste asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter. Astronomen blijven zich afvragen of massale uitstervingen hier op Aarde het resultaat waren van slechts 50 gram druk op één kant van een rotsblok dat zich in een rustige baan tussen Mars en Jupiter heeft bevonden.

Astronomie richt zich vaak op het grote, het energetische en het uitgestrekte. Maar soms kunnen hele kleine krachten de evolutie van een compleet planetensysteem bepalen. Het Yarkovsky-effect is daar een goed voorbeeld van. Een onbalans in de warmtestraling van een asteroïde verandert zijn baan en die verandering kan het verschil maken tussen de huidige toestand en een massale uitsterving.

 

Eerste publicatie: 19 november 2020
Bron: Earthsaky, NASA, wikipedia