야르콥스키 효과
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1. 개요
야르콥스키 효과는 회전하는 천체가 태양 복사열을 흡수하고 방출하면서 궤도가 서서히 변화하는 현상이다. 이 효과는 폴란드 출신 러시아 토목 기사 이반 오시포비치 야르콥스키가 1900년경에 처음 제안했으며, 에스토니아 천문학자 에른스트 외피크에 의해 재조명되었다. 야르콥스키 효과는 주간 효과와 계절 효과로 나뉘며, 천체의 크기에 따라 영향이 다르다. 이 효과는 소행성의 궤도 변화에 영향을 미치며, 지구 근접 천체의 궤도 수정에도 활용될 수 있다. 1991년부터 2003년까지 소행성 골레브카를 통해 처음 측정되었으며, 소행성 아포피스의 궤도 예측 불확실성을 설명하는 데에도 중요한 역할을 했다.
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| 야르콥스키 효과 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 야르콥스키 효과 |
| 유형 | 힘 |
| 관련 항목 | 열복사 소행성 혜성 우주 |
| 원인 | |
| 원인 | 불균일한 표면 온도 분포 행성의 자전 태양 복사 |
| 작동 방식 | |
| 주간 효과 | 회전하는 천체가 태양빛을 받아 가열된 후 복사 에너지를 방출하면서 궤도에 영향을 주는 현상 |
| 일간 효과 | 천체의 하루 중 다른 시간에 방출되는 열에 의해 발생 |
| 계절 효과 | 천체의 축 기울기에 의해 발생하며, 1년 중 다른 시기에 다른 양의 태양열을 받기 때문에 발생 |
| 영향 | |
| 궤도 변화 | 작은 천체의 장반경을 서서히 변화시킴 |
| 장반경 변화 | 천체의 크기, 궤도, 회전 특성에 따라 달라짐 |
| 장기적 영향 | 소행성대의 소행성 분포에 큰 영향 |
| 발견 및 연구 | |
| 최초 제안 | 이반 오시포비치 야르콥스키 (1900년 초) |
| 중요성 부각 | 20세기 후반 |
| 연구자 | 오키프 라지에프스키 패덕 |
| 추가 정보 | |
| 관련 효과 | 야르콥스키-오키프-라지에프스키-패덕 효과 (YORP 효과) |
| 응용 | 소행성 궤도 예측 및 우주 탐사 계획 |
2. 발견의 역사
야르콥스키 효과는 폴란드계 러시아인[1] 토목 기사 이반 오시포비치 야르콥스키(1844–1902)가 발견했으며, 그는 러시아에서 틈틈이 과학 문제를 연구했다. 1900년경 팸플릿에서 야르콥스키는 우주에서 회전하는 물체가 매일 가열되면 미세하지만 작은 물체, 특히 유성체와 작은 소행성의 궤도에 장기적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 힘을 경험하게 된다고 언급했다. 야르콥스키의 통찰력은 에스토니아 천문학자 에른스트 외피크(1893–1985)가 1909년경 야르콥스키의 팸플릿을 읽지 않았다면 잊혀졌을 것이다. 수십 년 후, 외피크는 기억을 되살려 팸플릿을 언급하며 야르콥스키 효과가 태양계 주변의 유성체 이동에 미치는 가능한 중요성에 대해 논의했다.[2]
야르콥스키 효과는 복사에 의해 데워진 물체의 온도 변화(그리고 따라서 물체에서 방출되는 열 복사 강도)가 입사 복사의 변화보다 늦다는 사실의 결과이다. 즉, 물체의 표면은 처음 햇빛을 받을 때 따뜻해지는 데 시간이 걸리고, 햇빛이 없을 때 식는 데 시간이 걸린다.[3] 이 효과에는 크게 일주 효과와 계절 효과 두 가지 요소가 있다.
3. 메커니즘
일반적으로 이 효과는 크기에 따라 다르며, 작은 소행성의 긴반지름에 영향을 미치는 반면 큰 소행성은 거의 영향을 받지 않는다. 킬로미터 크기의 소행성의 경우 야르콥스키 효과는 단기간에 미미하다. 소행성 6489 골레브카에 가해지는 힘은 0.25 뉴턴으로 추정되며, 순 가속도는 10−12 m/s2이다. 그러나 이는 꾸준하기 때문에 수백만 년 동안 소행성의 궤도는 소행성대에서 태양계 내부로 이동할 만큼 충분히 교란될 수 있다.[3]
이 메커니즘은 심하게 이심률이 큰 궤도에 있는 물체의 경우 더 복잡하다.
3. 1. 주간 효과
자전하는 천체의 표면은 낮 동안 태양에 의해 가열되고 밤에는 냉각된다. 온도 변화에는 시간 지연이 발생하여, 표면에서 가장 따뜻한 지점은 정오보다 약간 늦게 나타난다. 이 때문에 복사 흡수와 방출 방향에 차이가 발생한다.[3] 이러한 차이는 순행 자전하는 천체의 궤도 긴반지름을 증가시키고, 역행 자전하는 천체의 궤도 긴반지름을 감소시킨다.[3] 주간 효과는 주로 직경 100m 이상의 비교적 큰 천체에 영향을 미친다.[3]
3. 2. 계절 효과 (연주 효과)
자전하지 않는 천체가 태양 주위를 공전할 때, 오랫동안 가열된 "저녁" 반구가 항상 궤도 운동 방향을 향하게 되어 열 복사가 강해진다. 이로 인해 천체를 태양 쪽으로 끌어당기는 감속력이 발생한다.[3] 실제 자전하는 천체의 경우, 이 계절 효과는 황도 경사각이 클수록 증가한다. 일주 효과가 충분히 작을 경우에만 계절 효과가 지배적이다. 이는 매우 빠른 자전(밤인 쪽에 식을 시간이 없으므로 거의 균일한 경도 온도 분포), 작은 크기(전체 물체가 전체적으로 가열됨) 또는 90°에 가까운 축 기울기 때문에 발생할 수 있다. 계절 효과는 단열 표토 층으로 표면이 덮여 있지 않고 회전이 지나치게 느리지 않은 작은 소행성 조각(몇 미터에서 약 100m까지)에 더 중요하다. 또한, 충돌에 의해 물체의 자전축이 반복적으로 변경될 수 있는 매우 긴 시간 척도에서(따라서 일주 효과의 방향도 변경됨) 계절 효과도 지배하는 경향이 있다.[3]
4. 측정
야르콥스키 효과는 1991년부터 2003년까지 소행성 6489 골레브카를 관측하여 처음으로 측정되었다. 1991년, 1995년, 1999년에 아레시보 천문대의 레이더 관측으로 궤도가 매우 정확하게 측정되었으며, 12년 동안 예측된 위치에서 15km 궤도 이동이 관측되었다.[4]
2020년, 천문학자들은 소행성 99942 아포피스의 야르콥스키 가속을 확인했다.[7][8] 2021년, 가이아 위성과 지상 기반 레이더 측정 및 아마추어 별 엄폐 관측을 결합하여 99942 아포피스의 궤도를 개선하고 야르콥스키 가속도를 0.5% 이내 정밀도로 측정했다. 이를 통해 적어도 향후 100년 동안 지구와 충돌할 가능성을 제거할 수 있었다.[9]
5. 야르콥스키 효과와 지구 방위
야르콥스키 효과는 지구 근접 천체의 궤도를 변경하여 지구와의 충돌을 막는 데 활용될 수 있다. 소행성 표면의 알베도를 변경하거나 태양 복사를 집중시키는 방법 등을 통해 야르콥스키 효과의 강도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 90°의 자전축 기울기를 가진 원형 궤도에서 구형 물체에 대한 순수한 계절적 야르콥스키 효과만 고려해도, 반장축 변화는 균일한 알베도와 강한 남북 알베도 비대칭의 경우 사이에 최대 2배까지 차이가 날 수 있다. 물체의 궤도와 자전축에 따라, 야르콥스키 효과에 의한 반장축 변화는 구형에서 비구형 모양으로 변경하는 것만으로도 반전될 수 있다.
5. 1. 관련 연구 및 기술 개발
6489 골레브카 소행성에 대한 1991년부터 2003년까지의 관측을 통해 야르콥스키 효과가 처음으로 측정되었다. 이 소행성은 12년 동안 예측된 위치에서 15km나 벗어났는데, 이는 아레시보 천문대의 레이더 관측을 통해 확인되었다.[4]주어진 소행성의 궤도에 대한 야르콥스키 효과의 정확한 결과를 예측하는 것은 매우 어렵다. 효과의 크기가 소행성의 모양, 방향, 알베도 등 여러 변수에 따라 달라지기 때문이다. 또한, 그림자 효과와 열 "재조명" 효과, 그리고 복사압과의 경쟁으로 인해 계산은 더욱 복잡해진다.[5]
이러한 어려움에도 불구하고, 야르콥스키 효과는 잠재적으로 지구에 충돌할 수 있는 지구 근접 천체의 진로를 변경하는 데 활용될 수 있다. 소행성 표면을 "페인팅"하거나 태양 복사를 집중시켜 야르콥스키 효과의 강도를 변경하는 방법 등이 연구되고 있다.[5] 2016년 9월에 발사된 OSIRIS-REx 임무는 소행성 벤누에 대한 야르콥스키 효과를 연구했다.[6]
2020년에는 천문학자들이 99942 아포피스 소행성의 야르콥스키 가속을 확인했다. 이 발견은 소행성 충돌 회피와 관련이 있는데, 99942 아포피스가 2068년에 지구에 충돌할 가능성이 매우 낮았고 야르콥스키 효과가 예측 불확실성의 주요 원인이었기 때문이다.[7][8] 2021년에는 가이아 위성과 지상 기반 레이더 측정 및 아마추어 별 엄폐 관측을 결합하여 99942 아포피스의 궤도를 개선하고 야르콥스키 가속을 정밀하게 측정하여, 향후 100년 동안 지구와의 충돌 가능성을 제거할 수 있었다.[9]
6. 추가 정보
야르콥스키 효과 계산은 천체의 모양, 알베도, 자전축 등 여러 요소에 영향을 받아 복잡하다. 국소적인 크레이터나 전반적인 오목한 형태로 인해 발생하는 그림자 효과와 열 재조명 효과는 계산을 더욱 복잡하게 만든다.[5] 이러한 어려움에도 불구하고, 야르콥스키 효과는 지구 근접 천체의 궤도를 변경하여 지구와의 충돌을 막는 연구에 활용되고 있다. 소행성 표면을 "페인팅"하거나 태양 복사를 집중시켜 야르콥스키 효과의 강도를 조절하는 방법 등이 연구되고 있다.[5]
복사압은 소행성 궤도에 영향을 미치는 또 다른 요소로, 야르콥스키 효과와 함께 고려해야 한다. 복사압은 알베도 변화나 비구형 물체에 대해 야르콥스키 효과와 비슷한 수준의 장기적인 힘을 발생시킬 수 있다.[5]
참조
[1]
논문
The nearly forgotten scientist John Osipovich Yarkovsky
http://articles.adsa[...]
2021-08-12
[2]
논문
Collision probabilities with the planets and the distribution of interplanetary matter
[3]
논문
The Yarkovsky and YORP Effects: Implications for Asteroid Dynamics
https://astro.troja.[...]
2021-08-12
[4]
논문
Direct Detection of the Yarkovsky Effect via Radar Ranging to Asteroid 6489 Golevka
https://www.aldebara[...]
2021-08-12
[5]
웹사이트
Asteroids No Match For Paint Gun, Says Prof
http://tamutimes.tam[...]
2013-02-21
[6]
웹사이트
OSIRIS-REx - Q & A
https://www.asteroid[...]
2021-08-12
[7]
뉴스
Infamous asteroid Apophis is accelerating {{!}} EarthSky.org
https://earthsky.org[...]
2020-11-10
[8]
논문
Detection of Yarkovsky Acceleration of (99942) Apophis
https://aas.org/site[...]
2021-08-12
[9]
웹사이트
Apophis' Yarkovsky Acceleration Improved Through Stellar Occultation
https://www.cosmos.e[...]
2021-03-26
[10]
문서
ゴレブカの平均直径は約530mである。
[11]
논문
The nearly forgotten scientist Ivan Osipovich Yarkovsky
http://adsabs.harvar[...]
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