سیارک بنو  و اثر یارکوفسکی

 مفهوم هنری از فضاپیمای اُسیریس رکس در نزدیکی سیارک بنو- تصویر: ناسا

بنو – یک کپسول زمانی از 4.5 میلیارد سال پیش – سیارک 500 متری گسترده در مدار بیضوی اطراف خورشید است که یکی از خطرناک‌ترین اشیاء شناخته شده با عبورهای متعدد نزدیک است که در گذشته زمین به وقوع پیوسته و تماسهای نزدیکتری که انتظار میرود در قرن آینده ایجاد شود.

اُسیریس رکس نخستین مأموریت ایالات متحده برای بازیابی یک نمونه از سیارک است که به اهداف برنامه اکتشاف خورشیدی ناسا پرداخته است که هدف کلی آن درک مبدأ و شکل‌گیری اولیه منظومه شمسی، بررسی منبع آب و مواد آلی زمین، شکل‌گیری حیات به شکل کنونی می‌باشد.

 تصویر راداری 1999 – اعتبار: ناسا

بنو در سپتامبر 1999 توسط پروژه تحقیقاتی سیارکی نزدیک به زمین لینکلن (LINEAR) کشف شد. سیارک دارای قطر متوسط ​​تقریبا 492 متر است و یک بار در اطراف خورشید، 436.6 روز زمینی را طی می‌کند. هندسه مداری بین زمین و بنو هر شش سال طول می‌کشد.

مطالعه گسترده بنو با رادار سیاراتی رصدخانه آرسیبو و ایستگاه شبکه فضایی گلف استون هر زمان که سیارک در نزدیکی زمین بود، انجام شد. اندازه گیری‌های مبتنی بر زمین نشان می‌دهد سیارک دارای دوره چرخش 4 ساعت و 20 دقیقه است؛ جرم و تراکم آن به خوبی توسط مأموریت اُسیریس رکس تعیین می‌شود.

سیارک بنو به عنوان یک هدف برای ماموریت اُسیریس رکس بر اساس وعده علمی اکتشاف و همچنین محدودیت‌های عملیاتی طراحی ماموریت انتخاب شد. این ماموریت با حدود 500000 سیارک که در زمان پیشنهاد ارائه شد، آغاز گردید، اما تنها با اجرامی که برخورد نزدیک با زمین را دارند و ممکن است برای بودجه و هزینه سوخت مناسب دلتا –v مقرون به صرفه باشند، این تعداد را به حدود 8000 کاهش داد.

انتخاب هدف – تصویر: پروژه اُسیریس رکس

مطالعه بیشتر نشان داد که تنها 350 سیارک از 8000 اشیاء نزدیک زمین اجازه ماموریت بازگشت نمونه در محدودیت‌های تقویم برنامه را می‌دهد. یکی دیگر از محدودیت‌های مهم ناوبری نیاز به یک سیارک دارد که به طور غیرمستقیم سریع نمی‌چرخد، که اغلب برای سیارکهای کوچکتر از 200 متر است که به طور معمول به جای چرخش منظم، حرکت را نشان می‌دهد. از 350 سیارک، فقط  عدد29 قطر بیش از 200 متر داشتند.

هدف از نمونه برداری یک سیارک غنی از کربن است تا احتمال یافتن مواد ارگانیک را افزایش دهد. فقط پنج عدد از 29 سیارک ویژگی‌های طیفی کربن را نشان دادند.

 تیم مأموریت اُسیریس رکس با استفاده از این اهداف، بنو را انتخاب کردند

 با مشاهدات زمینی در حال حاضر یک مدل شکل با وضوح هفت متری ارائه شده است، مدار آن و دوره چرخش به خوبی شناخته شده است و طبیعت کربنی آن توسط اندازه‌گیری های طیفی و فوتومتری با تلسکوپ فضایی هابل تایید شده است. شرایط محیطی، به خصوص درجه حرارت سطح که مربوط به ماموریت هستند، با تجزیه و تحلیل مادون قرمز با تلسکوپ فضایی اسپیتزر قابل قبول بود.

درجه حرارت در سطح بنو  بین -37 و +6 درجه سانتیگراد نوسان می‌کند و نیروهای حرارتی ایجاد شده توسط حرارت خورشیدی و انتشار فوتون، تاثیر عمده‌ای بر مدار سیارک در اطراف خورشید دارند. مطالعه این اثر یکی از اهداف مأموریت اُسیریس رکس خواهد بود.

مدل حرارتی بنو – تصویر: پروژه اُسیریس رکس

اثر یارکوفسکی نیرویی است که روی یک جسم چرخشی در فضا  توسط انتشار وابسته به جهت فوتونهای حرارتی ایجاد شده است. فوتونها حرکت می‌کنند و بنابراین می‌توانند نیرویی روی یک شی ایجاد کنند. برای اجسام سبک مانند سیارک‌ها تا قطر ده کیلومتر، اثر یارکوفسکی نشان دهنده نیروی اصلی است که بر مسیرهای مداری خود در اطراف خورشید تأثیر می‌گذارد.

در طول مقیاس‌های زمان نجومی، اثر یارکوفسکی می‌تواند به طور قابل توجهی مدار یک شی را تغییر دهد و بنابراین باید به محاسبات مسیری برای سیارک‌ها اقدام  شود.

این دقیقا همان جایی است که اُسیریس رکس وارد می شود – جمع‌آوری اطلاعات دقیق بر روی ترکیب و توپوگرافی سطح بنو برای یادگیری چگونگی خواص سیارک بر اثر یارکوفسکی تاثیر می‌گذارد.

تصویر: الکساندرا بولینگ، NRAO / AUI / NSF

مهندس عمران روسیه ایوان یارکوفسکی ابتدا درباره این اثر در یک مقاله در حدود سال 1900 بحث کرد، فرض بر این که یک جسم دوار در فضا یک نیروی حرارتی را تجربه می‌کند که – هرچند کوچک است – در نگاه به تکامل طولانی مدارها نقش مهمی ایفا می‌کند (شهاب سنگها و سیارک‌های کوچک).

اثر یارکوفسکی  زمانی رخ می‌دهد که سیارک نور خورشید را جذب و به صورت گرما آن ‌را بازتابش می‌کند اما به علت ناهمواری، ترکیبات سطحی و چرخش  سیارک، بازتابش گرما نوعی رانش و شتاب به سیارک می‌دهد. برای دانشمندانی که مسیر سیارک‌ها را پیش‌بینی می‌کنند مهم است که بدانند چطور این اثر بر تغییر مدار سیارک‌ها تاثیر می‌گذارد و هم تدبیری برای راه‌کارهای آینده باشد تا احتمال برخورد اجرام آسمانی به زمین را کمتر کند.

 عامل اصلی اثر یارکوفسکی، تاخیر در تغییر حرارتی یک جسم گرم شده توسط تابش است که در پشت تغییرات در تابش ورودی عقب مانده است: زمانی که برای روشن شدن یک سطح برای گرم کردن طول می‌کشد، زمان لازم برای خنک شدن پس از توقف روشنایی خورشید می‌باشد.

 در یک جسم چرخشی، سطح در طرف روز توسط خورشید گرم می‌شود و در طول شب سرد می‌شود. هر سطح دارای خواص حرارتی خاصی است که باعث ایجاد فاصله بین جذب انرژی حرارتی و انتشار آن از طریق انتشار فوتونهای حرارتی می‌شود، به این معنی که گرمترین نقطه در یک جسم چرخشی، زمانی است که بعد از ظهر، معمولا حدود 2 PM می‌باشد.

 این باعث ایجاد تفاوت بین جهت جذب گرما و انتشار فوتون ها می‌شود، که همانطور که قبلا ذکر شد، دارای یک ضربان است. نیروهای حرارتی فوتون های تحت تأثیر و انتشار، از بین نمی‌روند. نقطۀ نیروی خالص نقاط در امتداد حرکت مداری جسم – در صورت چرخش پیشرونده، بردار نیرو به جهت حرکت جسم اشاره می‌کند، باعث می‌شود که آن را تسریع کند، در حالی که در نتیجه یک چرخش عقب گرد به سرعت کاهش می‌یابد و به سمت خورشید برمی‌گردد.

مدار سیارک بنو – تصویر: OSIRIS-REx Project / Dante Lauretta

علاوه بر اثر روزانه یارکوفسکی، پدیده فصلی نیز وجود دارد که به طور معمول بر جسمهایی که چرخش بسیار سریع دارند، اجسام بسیار کوچک با محور چرخش خود نزدیک به 90 درجه تسلط دارد.

اگر چه اثر یارکوفسکی نسبتا کوچک است و نیروهای معمولی که بیش از یک قطعه از نیوتن نیستند می‌توانند مدارهای سیارک را در طول چندین سال به طول چند میلیونی تغییر دهند و آنها را از کمربند سیارکی به مدارهایی که تقسیم منظومه شمسی منظم را در بر می‌گیرد، تغییر دهند.

اندازه‌گیری اثر یارکوفسکی طی دوره 12 ساله بر روی سیارک Golveka با 0.6 کیلومتر بر ساعت 1.4 کیلومتر نشان داد که این فاصله 15 کیلومتر از موقعیت پیش‌بینی شده آن فاصله دارد. این نشان دهنده اهمیت استفاده از اثر یارکوفسکی برای تحلیل مسیریابی است که با توجه به اثرات بالقوه خطر سیارکها به زمین که هنوز ده‌ها سال از آن فاصله دارند، استفاده می‌شود.

تا به امروز، پیش‌بینی اثر یارکوفسکی چالش برانگیز بوده است، زیرا میزان آن بستگی به بسیاری از متغیرهایی دارد که برای تعیین از راه دور سخت می‌باشد. عوامل تاثیرگذار شامل شکل جسم، جهت آن، سرعت چرخش و خواص سطحی مانند آلبدو است.

اُسیریس رکس قادر خواهد بود مقدار زیادی اطلاعات را برای مدل‌سازی دقیق اثر یارکوفسکی بر روی سیارک بنو و اطلاعات ارزشمندی را برای ارتباط خواص سطح با قدرت این پدیده ارائه دهد و به بهبود مدل‌ها برای ارزیابی سیارک‌های تاثیرگذار بر زمین کمک کند.

کاوشگر اُسیریس رکس (OSIRIS-Rex) ناسا تقریبا در ساعت ۲۰:۳۰ دوشنبه سوم دسامبر (۱۲ آذر) با پایان دادن به سفر ۲۷ ماهه‌اش در اعماق فضا، به‌صورت رسمی به یک سیارک نزدیک زمین به نام بنو خواهد رسید. ناسا روز دوشنبه از ساعت ۱۹:۴۵ تا یک ساعت بعد، با پخش برنامه‌ی «پیش‌نمایش ورود» و سپس پخش زنده‌ی ورود اسیریس رکس، این رویداد ویژه را به‌صورت اینترنتی در وب‌سایت خود پوشش خواهد داد.

https://www.nasa.gov/osiris-rex/

Asteroid Bennu & the Yarkovsky Effect

http://spaceflight101.com/osiris-rex/bennu/