Bagaimanakah Haba Matahari Mengubah Orbit Asteroid?

Asteroid bergerak mengelilingi Matahari di bawah pengaruh graviti, tetapi orbitnya tidak semestinya kekal sama sepanjang masa. Selain tarikan graviti planet dan objek lain, asteroid turut mengalami pengaruh yang jauh lebih kecil, antaranya yang berpunca daripada haba yang dipancarkan oleh permukaannya selepas menerima cahaya Matahari.

Pengaruh ini terlalu lemah untuk dilihat dalam masa yang singkat. Walau bagaimanapun, ia boleh terkumpul selama bertahun-tahun sehingga menghasilkan perubahan orbit yang dapat diukur, dan fenomena ini dikenali sebagai kesan Yarkovsky.

Bagaimanakah haba boleh menghasilkan daya?

Apabila cahaya Matahari mengenai asteroid, sebahagian tenaganya diserap oleh permukaan asteroid. Permukaan yang menerima cahaya menjadi lebih panas, dan apabila asteroid berputar, kawasan yang telah dipanaskan bergerak ke bahagian yang tidak lagi menghadap Matahari. Kawasan tersebut tidak serta-merta menjadi sejuk, sebaliknya terus memancarkan tenaga sebagai sinaran inframerah.

Sinaran elektromagnet membawa tenaga dan momentum. Oleh itu, apabila sesuatu permukaan memancarkan sinaran, permukaan tersebut mengalami daya tindak balas yang arahnya bertentangan dengan momentum sinaran yang dipancarkan. Prinsip ini tidak memerlukan udara atau bahan api roket. Bagi asteroid, daya tindak balas tersebut amat kecil, tetapi jika pancaran haba tidak seimbang mengikut arah, daya bersih yang terhasil boleh mempengaruhi gerakan asteroid.

Mengapakah putaran asteroid penting?

Bayangkan sebuah asteroid yang berputar sambil mengelilingi Matahari. Kawasan permukaannya menerima cahaya Matahari pada waktu siang asteroid tersebut, dan selepas kawasan itu berputar menjauhi arah Matahari, suhunya beransur-ansur menurun. Oleh sebab permukaan mengambil masa untuk memanas dan menyejuk, kawasan yang memancarkan haba paling banyak tidak semestinya berada tepat pada bahagian yang menghadap Matahari.

Kelewatan perubahan suhu ini penting kerana ia menyebabkan arah keseluruhan pancaran haba tidak semestinya simetri terhadap arah Matahari. Daya tindak balas yang terhasil boleh mempunyai komponen searah atau bertentangan dengan gerakan asteroid sepanjang orbitnya. Bagi model ringkas asteroid yang berputar pada paksi hampir tegak terhadap satah orbit, putaran searah dengan gerakan orbit lazimnya menyebabkan saiz orbit bertambah secara beransur-ansur, manakala putaran yang berlawanan arah boleh menyebabkan saiz orbit berkurang.

Namun, keadaan sebenar bergantung pada kecondongan paksi putaran, bentuk asteroid, sifat haba permukaan dan ciri orbitnya. Oleh itu, tidak semua asteroid bergerak menjauhi Matahari akibat kesan Yarkovsky.

Adakah semua asteroid mengalami perubahan yang sama?

Tidak. Kekuatan kesan Yarkovsky bergantung pada beberapa sifat asteroid. Asteroid yang lebih kecil lazimnya mengalami perubahan gerakan yang lebih ketara berbanding asteroid besar apabila faktor lain hampir sama, kerana nisbah luas permukaan kepada jisimnya lebih besar. Sifat bahan permukaan juga penting: sesetengah bahan menyimpan haba lebih lama sebelum menyejuk, manakala bahan lain kehilangan haba dengan lebih cepat, dan perbezaan ini mempengaruhi kedudukan kawasan paling panas serta arah daya tindak balas.

Bentuk asteroid yang tidak sekata serta keadaan putarannya turut mempengaruhi jumlah dan arah perubahan orbit, dan asteroid juga menerima tenaga Matahari yang berbeza mengikut jaraknya daripada Matahari. Kesan Yarkovsky tidak menggantikan graviti sebagai pengaruh utama yang menentukan orbit asteroid. Sebaliknya, ia menghasilkan gangguan kecil yang boleh menjadi penting apabila gerakan asteroid diramalkan untuk tempoh yang panjang.

Mengapakah perubahan yang sangat kecil boleh menjadi penting?

Bayangkan sebuah asteroid yang mengalami perubahan orbit amat kecil setiap tahun. Dalam beberapa hari, perubahan itu mungkin tidak memberikan perbezaan yang ketara. Namun, selepas berpuluh-puluh atau beratus-ratus tahun, kedudukan asteroid boleh menyimpang daripada kedudukan yang diramalkan oleh model yang hanya mengambil kira graviti. Perubahan kecil ini penting apabila ahli astronomi mengira laluan asteroid yang menghampiri Bumi.

Sebagai contoh, asteroid Bennu telah diperhatikan melalui teleskop optik dan radar selama bertahun-tahun. Dalam kajian yang diterbitkan pada 2014, penyelidik menganggarkan bahawa kesan Yarkovsky menyebabkan ukuran saiz orbit elips Bennu, yang dikenali sebagai paksi separa utama, berkurang pada kadar purata sekitar 284 meter setahun. Angka tersebut bukan bermaksud Bennu bergerak terus menuju Matahari sejauh 284 meter setiap tahun, kerana ia merujuk kepada perubahan jangka panjang pada parameter orbitnya.

Pengukuran itu turut membantu penyelidik menganggarkan jisim dan ketumpatan purata Bennu. Oleh itu, kesan Yarkovsky bukan sekadar gangguan kecil yang perlu diperbetulkan, malah ia memberikan maklumat tentang sifat fizikal asteroid yang sukar ditentukan melalui pemerhatian cahaya sahaja.

Adakah kesan Yarkovsky sama dengan tekanan cahaya Matahari?

Tidak sepenuhnya. Cahaya Matahari yang mengenai permukaan asteroid juga membawa momentum dan boleh menghasilkan tekanan sinaran akibat penyerapan atau pantulan cahaya itu, manakala kesan Yarkovsky berpunca daripada daya tindak balas akibat pancaran haba asteroid sendiri yang tidak seimbang mengikut arah. Kedua-duanya melibatkan pemindahan momentum melalui sinaran elektromagnet, tetapi mekanisme dan kebergantungannya pada sifat asteroid berbeza, dan kesan Yarkovsky amat dipengaruhi oleh putaran serta tindak balas haba permukaan. Perbezaan ini penting supaya perubahan orbit asteroid tidak disalahertikan sebagai akibat satu jenis daya sahaja.

Bagaimanakah daya yang begitu kecil dapat dikesan?