รู้จัก Yarkovsky Effect แรงจากความร้อนที่มีผลต่อการโคจร นอกเหนือจากกฏของนิวตัน

การคำนวณวงโคจรของวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศเป็นสิ่งที่เราทำมาตลอดตั้งแต่การคำนวณวงโคจรของโลกเราเอง ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย ไปจนถึงระบบสุริยะและกาแล็กซีของเราด้วย การคำนวณวงโคจรของวัตถุในอวกาศมีบทบาทสำคัญอย่างมากในเรื่องของ Planetary Defense ซึ่งเป็นการป้องกันโลกของเราจากอันตรายของวัตถุในระบบสุริยะของเรา เช่น ดาวเคราะห์น้อยที่อาจเป็นอันตรายต่อโลกของเราหรือแม้แต่มนุษยชาติ ตั้งแต่ยุคอวกาศได้เริ่มขึ้น เทคโนโลยีและองค์ความรู้ในการคำนวณและการจำลองวงโคจรของวัตถุอวกาศของเราก็ได้พัฒนามาอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม การคาดการณ์วงโคจรดังกล่าวยังมีอุปสรรคอย่างหนึ่ง คือ Yarkovsky Effect ที่ยังทำให้การคาดการณ์วงโคจรของเรายังมีจุดบกพร่องและอาจคลาดเคลื่อนจากที่คำนวณไว้ได้

Yarkovsky Effect คืออะไร

Yarkovsky effect เป็นปรากฏการณ์ที่วัตถุใด ๆ ก็ตามที่หมุนได้ในอวกาศดูดซับความร้อนแล้วแผ่ความร้อนออกจากผิวตอนกลางคืนในรูปของรังสีซึ่งรังสีดังกล่าวสามารถทำหน้าที่เป็นแรงผลักวัตถุอวกาศเล็ก ๆ ได้ แต่ในระยะเวลาที่นานมาก ๆ แรงผลักดังกล่าวสามารถทำให้วงโคจรของวัตถุเปลี่ยนไปได้ โดยปกติมักเกิดกับดาวเคราะห์น้อยขนาดเล็กที่หมุนได้ (ขนาดประมาณ 10 เซนติเมตร ถึง 10 กิโลเมตร) หากใหญ่เกินไป Yarkovsky effect จะแทบไม่มีผล ปรากฏการณ์นี้ค้นพบโดยวิศวกรชาวโปแลนด์ชื่อว่า Ivan Osipovich Yarkorvsky

ปรากฏการณ์ Yarkovsky มีสองแบบเรียกว่า Diurnal กับแบบ Seasonal เรียกง่าย ๆ ก็คือแบบรายวันกับแบบตามฤดูกาล ซึ่งทั้งสองแบบมีหลักการที่คล้ายกันต่างกันแค่ระยะเวลาเท่านั้น

• Diurnal Effect: ในวัตถุอวกาศที่หมุนได้จะมีด้านใดด้านหนึ่งที่จะได้รับรังสีและความร้อนจากดวงอาทิตย์ (หันหน้าไปหาดวงอาทิตย์) ซึ่งจะทำให้ด้านนั้น ๆ ดูดซับความร้อนจนพื้นผิวมีอุณหภูมิสูงมากซึ่งจะเกิดขึ้นประมาณเวลา บ่าย 2 บนวัตถุนั้น ๆ หลังจากนั้นความร้อนที่อยู่ในพื้นผิวของวัตถุจะค่อย ๆ แผ่ออกจากพื้นผิวในรูปของรังสีซึ่งการแผ่รังสีดังกล่าวจะทำให้เกิดแรงเล็ก ๆ ที่จะผลักวัตถุไปในทิศทางที่ความร้อนแผ่ออกได้ โดย Diurnal effect สามารถแบ่งย่อยได้อีก 2 แบบ คือ Prograde rotator และ Retrograde rotator
  • Prograde rotator: เป็นวัตถุที่หมุนไปในทิศทางเดียวกับวงโคจรของมัน หมายความว่าระหว่างที่ด้านร้อนกำลังเริ่มแผ่รังสี มันจะแผ่รังสีรุนแรงที่สุดในทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของวัตถุ นั่นหมายความว่าแรงลัพท์จะผลักให้วัตถุดังกล่าวมีความเร็วขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งจะทำให้ Semi-major axis ของวงโคจรเพิ่มขึ้นหมายความว่าวัตถุจะค่อย ๆ ออกห่างจากดวงอาทิตย์ทีละน้อย
  • Retrograde rotator: เป็นวัตถุที่หมุนตรงข้ามกับวงโคจรของมัน หมายความว่าด้านร้อนจะเริ่มแผ่รังสีในทิศทางเดียวกับทิศทางของวัตถุซึ่งจะทำให้แรงลัพท์ผลักวัตถุไปในทางตรงข้ามกับทิศทางของวัตถุและทำให้วัตถุมีความเร็วช้าลงและมี Semi-major axis ลดลงหมายความว่าวงโคจรของวัตถุจะค่อย ๆ เคลื่อนเข้าหาดวงอาทิตย์มากขึ้นเรื่อย ๆ นั่นเอง
• Seasonal effect: เกิดขึ้นกับวัตถุที่หมุนช้าหรือแทบไม่หมุนรอบตัวเองเลย แต่อย่างไรก็ตามมันหมุนรอบดวงอาทิตย์หมายความว่า ณ เวลาใดเวลาหนึ่งอีกด้านที่ถูกรังสีของดวงอาทิตย์แผ่ใส่จนร้อนแบบสุดขีดเมื่อมันโคจรรอบดวงอาทิตย์จนถึงด้านมืดมันก็จะเริ่มคายความร้อนในพื้นผิวจนหมดส่วนอีกด้านที่ไม่ได้โดนแสงมานานก็จะเริ่มดูดซับแสงแทนและแผ่รังสีต่อซึ่งจะทำให้มันหมุนเข้าหาดวงอาทิตย์ไปเรื่อย ๆ นั่นเอง อย่างไรก็ตาม Seasonal effect จะถูก Diurnal effect กลบซะหมดจะมีอำนาจเหนือ Diurnal effect เมื่อ Diurnal effect น้อยมาก ๆ เท่านั้น เช่น วัตถุที่หมุนเร็วเกินไป

จาก Yarkorvsky effect ในวัตถุที่หมุนแบบ Prograde โดยที่

จะเห็นได้ว่ารังสีที่รุนแรงที่สุดจากถูกแผ่ไปในทิศทางตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุอวกาศซึ่งจะทำให้แรงลัพท์ผลักวัตถุดังกล่าวไปในทิศทางเดียวกับทิศทางที่มันกำลังเคลื่อนที่อยู่แล้วและทำให้มันมีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามการเกิดปรากฏการณ์ Yarkorvsky effect แบบ Diurnal ใน Prograde rotator และทำให้วงโคจรของวัตถุค่อย ๆ ออกห่างจากดาวฤกษ์มากขึ้นเรื่อย ๆ นั่นเอง ส่วนใน Retrograde rotator วัตถุจะค่อย ๆ เคลื่อนตัวเข้าหาดวงอาทิตย์ตามทิศทางการแผ่รังสีนั่นเองซึ่งสามารถดูการเกิดปรากฏการณ์ได้จากวิดีโอข้างล่างนี้ โดยตัวแปรที่เราจะต้องคิดก็ได้แก่

• รังสีที่แผ่ออกมาจากวัตถุอวกาศ เช่น ดาวเคราะห์น้อย ซึ่งความถี่ของลูกศรยิ่งถี่หมายถึงยิ่งรุนแรง
• พื้นที่ที่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงที่สุด
• ทิศทางของวงโคจรของวัตถุอวกาศ
• รังสีจากดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์ดังกล่าวมีแรงลัพท์เพียงเล็กน้อยในเวลาอันสั้นยกตัวอย่าง เช่น Yarkorvsky effect ในดาวเคราะห์น้อย 6489 Golevka ซึ่งอยู่ในแถวดาวเคราะห์น้อยมีแรงลัพท์ที่เกิดจาก Yarkorvsky effect เพียงแค่ 0.25 นิวตันเท่านั้น ซึ่งแปลงเป็นความเร่งได้เพียงแค่ประมาณ 10⁻¹² m/s² เท่านั้น แต่ในระยะเวลากว่าล้านปีมันสามารถทำให้วงโคจรของ 6489 Golevka เบนเข้าไปในระบบสุริยะชั้นในได้เร็วทีเดียว

Yarkorvsky effect เป็นอันตรายต่อเรายังไง

Yarkorvsky effect เป็นอันตรายต่อโลกเราอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้ามันเกิดกับ Near-Earth asteroids (NEO) ยกตัวอย่าง เช่น ดาวเคราะห์น้อย Bennu ซึ่งกำลังจะโคจรผ่านโลกเราและอาจใกล้ที่สุดถึงเพียงแค่ 100,000 กิโลเมตรเท่านั้นซึ่งใกล้กว่าดวงจันทร์เสียอีกและยังมีโอกาสชนโลกอีกด้วย Yarkorvsky effect อาจสามารถทำให้วงโคจรดังกล่าวเข้าใกล้โลกมากกว่าเดิมและอาจชนโลกเราได้นั่นเอง (สามารถอ่านบทความเกี่ยวกับการเข้าใกล้โลกของดาวเคราะห์น้อย Bennu ได้ที่นี่ รู้จักเคราะห์น้อย Bennu ที่ OSIRIS-REx ลงจอดสำเร็จ ช่วยไขปริศนาอะไรบ้าง)

ยังไม่รวมถึงส่วนประกอบของดาวเคราะห์น้อยที่อาจมีผลต่อการดูดซับความร้อนจากดวงอาทิตย์ของพื้นผิวด้วยซึ่งอาจมีผลต่อ Yarkorvsky effect อีกทีทำให้การคำนวณแรงลัพท์จาก Yarkorvsky effect ยิ่งยากขึ้นไปอีกจากความไม่สมมาตรของการแผ่รังสีของดาวเคราะห์น้อย การส่งยาน OSIRIS-REx ไปเก็บตัวอย่างพื้นผิวของดาวเคราะห์น้อย Bennu จึงจะช่วยให้เราสามารถเข้าใจส่วนประกอบของดาวเคราะห์น้อยที่มีผลต่อการเกิดปรากฏการณ์ Yarkorvsky effect ได้นั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

How Sunlight Pushes Asteroids