[论文解读] 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 17

一句话总结

本研究通过光变曲线反演建模自转与形状参数，首次直接探测到YORP效应使三颗近地小行星——(10115) 1992 SK、(1685) Toro 和 (1620) Geographos——的自转速度加快。研究报告称，(10115) 1992 SK的自转加速度为(8.3 ± 0.6) × 10⁻⁸ rad d⁻²，证实了YORP引起的自转加速，使此类探测总数达到十例。

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.

研究动机与目标

• 通过新的光度观测，扩展已确认存在YORP效应的小行星样本。
• 利用光变曲线相位漂移分析，测量选定近地小行星的自转加速度率(dω/dt)。
• 通过将观测到的dω/dt与理论预测进行比较，验证YORP效应作为自转演化真实驱动力的作用。
• 研究太阳章动对光变曲线数据的影响，特别是对(1620) Geographos的影响。
• 利用跨越多个接近地球相位的综合数据集，提高这些小行星自转与形状模型的精度。

提出的方法

• 从多个天文台收集了(10115) 1992 SK、(1685) Toro 和 (1620) Geographos的档案和新光度光变曲线数据。
• 应用光变曲线反演方法，将凸形模型拟合至数据，优化自转参数、形状以及YORP引起的自转速率变化(υ ≡ dω/dt)。
• 在反演中将υ视为自由参数，与自转和形状参数一同优化，并通过χ²改善程度评估其显著性（相对于υ = 0）。
• 采用自举重采样法（10,000次迭代）估计自转与形状参数的不确定性，采用基于χ²的误差估计方法处理υ的不确定性。
• 在反演算法中引入太阳章动效应，以评估其对光变曲线拟合的影响，尤其针对(1620) Geographos。
• 采用标准程序校准光度数据，包括傅里叶级数拟合和基于F检验的阶数选择，以估计光度不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 YORP效应是否可在(10115) 1992 SK、(1685) Toro 和 (1620) Geographos中被探测为可测量的自转速率变化？
• RQ2 这些小行星中观测到的自转加速度(dω/dt)是否与基于其形状和自转模型的理论YORP预测一致？
• RQ3 太阳章动在多大程度上影响光变曲线拟合与参数估计，特别是对(1620) Geographos的影响？
• RQ4 对于观测覆盖有限的小行星，是否能以足够的统计置信度探测到YORP效应？
• RQ5 包含来自多个接近地球相位的长期光变曲线数据，如何提升dω/dt测量的精度？

主要发现

• 小行星(10115) 1992 SK的自转正在以(8.3 ± 0.6) × 10⁻⁸ rad d⁻²的速率加速，这是该天体首次直接探测到YORP引起的自转加速。
• (10115) 1992 SK观测到的dω/dt与基于其推导出的形状和自转模型的理论YORP预测一致。
• 对于(1685) Toro，确认了(3.3 ± 0.3) × 10⁻⁹ rad d⁻²的自转加速度，验证了此前的初步探测结果。
• 对于(1620) Geographos，YORP加速度得到重新确认，且不确定性更小，dω/dt的估计值更加精确。
• 本研究在(1620) Geographos的光变曲线数据中发现太阳章动的迹象，表明其对自转状态演化具有影响。
• 随着此次探测，已确认存在YORP引起的自转加速的小行星总数达到十颗，且全部具有正值的dω/dt。