[論文レビュー] Rotation acceleration of asteroids (10115) 1992 SK, (1685) Toro, and (1620) Geographos due to the YORP effect

Josef Ďurech, David Vokrouhlický+29 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 44被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、光曲線の逆問題を用いて自転と形状パラメータをモデル化することで、近地小惑星3個（10115）1992 SK、（1685）Toro、（1620）GeographosにおけるYORP効果による自転加速の直接的photometric検出を報告する。特に（10115）1992 SKでは、測定された自転加速率が（8.3 ± 0.6）× 10⁻⁸ rad d⁻²であり、YORP誘発の自転加速が確認され、そのような検出数は合計で10個に達する。

ABSTRACT

The rotation state of small asteroids is affected by the Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack (YORP) effect, which is a net torque caused by solar radiation directly reflected and thermally reemitted from the surface. Due to this effect, the rotation period slowly changes, which can be most easily measured in light curves because the shift in the rotation phase accumulates over time quadratically. We collected archived light curves and carried out new photometric observations for asteroids (10115) 1992 SK, (1620) Geographos, and (1685) Toro. We applied the method of light curve inversion to fit observations with a convex shape model. The YORP effect was modeled as a linear change of the rotation frequency $\upsilon \equiv \mathrm{d}\omega / \mathrm{d}t$ and optimized together with other spin and shape parameters. We detected the acceleration $\upsilon = (8.3 \pm 0.6) imes 10^{-8}\,\mathrm{rad}\,\mathrm{d}^{-2}$ of the rotation for asteroid (10115) 1992 SK. This observed value agrees well with the theoretical value of YORP-induced spin-up computed for our shape and spin model. For (1685) Toro, we obtained $\upsilon = (3.3 \pm 0.3) imes 10^{-9}\,\mathrm{rad}\,\mathrm{d}^{-2}$, which confirms an earlier tentative YORP detection. For (1620) Geographos, we confirmed the previously detected YORP acceleration and derived an updated value of $\upsilon$ with a smaller uncertainty. We also included the effect of solar precession into our inversion algorithm, and we show that there are hints of this effect in Geographos' data. The detected change of the spin rate of (10115) 1992 SK has increased the total number of asteroids with YORP detection to ten. In all ten cases, the $\mathrm{d}\omega / \mathrm{d}t$ value is positive, so the rotation of these asteroids is accelerated. It is unlikely to be just a statistical fluke, but it is probably a real feature that needs to be explained.

研究の動機と目的

• 新たな光度観測を用いてYORP効果の検出が確認された小惑星のサンプルを拡大すること。
• 光曲線の位相ずれ解析を用いて、選択された近地小惑星における自転加速率（dω/dt）を測定すること。
• 観測されたdω/dtと理論的予測を比較することで、YORP効果が自転進化の実際の駆動要因であることを検証すること。
• 太陽の歳差が光曲線データに与える影響、特に（1620）Geographosにおいて評価すること。
• 複数の接近期間にわたる包括的なデータセットを用いて、これらの小惑星の自転と形状モデルの精度を向上させること。

提案手法

• （10115）1992 SK、（1685）Toro、（1620）Geographosの光度曲線を、複数の観測所からアーカイブおよび新規に収集した。
• 光曲線の逆問題を適用し、凸形状モデルをデータに適合させ、自転パラメータ、形状、およびYORP誘発の自転速度変化（υ ≡ dω/dt）を最適化した。
• υを逆問題における自由パrameterとして扱い、自転と形状とともに最適化可能であり、υ = 0との比較による有意性をカイ二乗（χ²）の改善度で評価した。
• ブートストラップリサンプリング（10,000回の反復）を用いて自転および形状パラメータの不確実性を推定し、χ²に基づく誤差推定をυに適用した。
• 太陽の歳差効果を逆問題アルゴリズムに組み込み、特に（1620）Geographosにおいてその影響が光曲線適合に与える影響を評価した。
• 標準的手順を用いて光度データをキャリブレーションした。これには、フーリエ級数フィッティングとF検定に基づく次数選択を含み、光度不確実性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 （10115）1992 SK、（1685）Toro、（1620）Geographosにおいて、YORP効果が自転速度の測定可能な変化として検出可能であるか？
• RQ2 これらの小惑星における観測された自転加速（dω/dt）は、その形状と自転モデルに基づく理論的YORP予測と整合しているか？
• RQ3 太陽の歳差は、特に（1620）Geographosにおいて、光曲線適合およびパラメータ推定にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 観測カバレッジが限られた小惑星においても、YORP効果を十分な統計的信頼性で検出可能か？
• RQ5 複数の接近期間にわたる長期光曲線データの組み込みは、dω/dtの測定精度をどのように向上させるか？

主な発見

• 小惑星（10115）1992 SKの自転は、（8.3 ± 0.6）× 10⁻⁸ rad d⁻² の割合で加速しており、この物体におけるYORP誘発の自転加速の初の直接的検出がなされた。
• （10115）1992 SKにおける観測されたdω/dtは、その導出された形状と自転モデルに基づく理論的YORP予測と整合的である。
• （1685）Toroでは、（3.3 ± 0.3）× 10⁻⁹ rad d⁻² の自転加速が確認され、以前の懸念の検出が裏付けられた。
• （1620）Geographosでは、YORP加速が再確認され、不確実性が精緻化され、dω/dtのより正確な推定値が得られた。
• 本研究では、（1620）Geographosの光曲線データに太陽の歳差の兆候が見られ、それが自転状態進化に影響を与えている可能性を示唆した。
• 本検出により、YORP誘発の自転加速が確認された小惑星の合計数は10個に達し、すべてが正のdω/dt値を示している。