Астрономический журнал, 2022, T. 99, № 6, стр. 506-519

Об учете эффекта Ярковского в системах отсчета, связанных с радиусом-вектором и вектором скорости

Т. Н. Санникова *

ФГБУН Крымская астрофизическая обсерватория РАН
Научный, Крым, Россия

* E-mail: tnsannikova@craocrimea.ru

Поступила в редакцию 11.03.2022
После доработки 31.03.2022
Принята к публикации 31.03.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрено движение астероида в центральном гравитационном поле при наличии дополнительного возмущающего ускорения, возникающего за счет эффекта Ярковского. Долгосрочная эволюция орбиты исследована с помощью аналитического решения осредненных уравнений движения в двух орбитальных системах отсчета: ${{\mathcal{O}}_{1}}$, связанной с радиусом-вектором, и ${{\mathcal{O}}_{2}}$, связанной с вектором скорости. Значения компонентов ускорения Ярковского найдены как средние за орбитальный период на основе теплофизических характеристик и параметров вращения малого тела в рамках линейной теплофизической модели силы Ярковского для сферических астероидов. Для модельных астероидов с различными эксцентриситетами орбит для обеих систем отсчета найдены дрейфы средней аномалии и большой полуоси, а также смещение относительно невозмущенного положения за 1000 орбитальных оборотов. В результате получено, что дрейфы большой полуоси и средней аномалии, также как и смещения, отличаются менее чем на 1% при малых эксцентриситетах (до 0.5). При ${{e}_{0}} > 0.5$ величины, найденные в системе ${{\mathcal{O}}_{1}}$, всегда больше тех же величин в системе ${{\mathcal{O}}_{2}}$. При ${{e}_{0}} \sim 0.5{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 0.7$ их отличие не превышает 6%, постепенно увеличиваясь с ростом ${{e}_{0}}$. При ${{e}_{0}} > 0.7$ эти отличия растут экспоненциально. Таким образом, при моделировании эффекта Ярковского трансверсальным ускорением ожидаемые значения дрейфов и смещения для объектов с высокоэллиптическими орбитами могут оказаться завышенными, что может быть одним из факторов низкого обнаружения эффекта Ярковского непосредственно из астрометрических наблюдений.

Ключевые слова: общие вопросы небесной механики, эффект Ярковского, тангенциальное ускорение, трансверсальное ускорение, радиальное ускорение, нормальное ускорение, дрейф большой полуоси, дрейф средней аномалии, смещение относительно невозмущенного положения, астероиды, сближающиеся с Землей

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время человечество осознало реальность угрозы столкновения Земли с малыми телами Солнечной системы. Для предотвращения этой угрозы необходимо выявить потенциально опасные объекты, определить их орбиты и оценить вероятность их столкновения или тесного сближения с Землей. Для повышения точности прогнозирования движения тела необходимо учитывать негравитационные эффекты, в частности эффект Ярковского. Этот эффект возникает вследствие теплового излучения вращающегося тела, имеющего ненулевую тепловую инерцию, и вызывает вековые изменения эксцентриситета, большой полуоси и, прежде всего, средней аномалии, изменение которой квадратично растет со временем. Таким образом, эффект Ярковского играет существенную роль в эволюции орбит малых тел, поэтому определение величины этого эффекта и изучение его влияния на астероиды, сближающиеся с Землей (AСЗ), являются необходимой составляющей для расчета их орбит и оценки их потенциальной опасности для Земли. Также эффект Ярковского считается одной из причин миграции астероидов в резонансные зоны Главного пояса, после чего они могут пополнить популяцию АСЗ. Кроме того, покрытие объекта специальным веществом для изменения орбиты с помощью эффекта Ярковского предлагается как один из способов воздействия на космические объекты, угрожающие столкновением с Землей.

Для учета эффекта Ярковского и изучения его влияния на долгосрочную эволюцию орбиты малого тела необходимо знать значения компонентов возмущающего ускорения, возникающего благодаря этому эффекту. В настоящее время наиболее распространенным методом оценки величины эффекта Ярковского является дифференциальная коррекция орбиты [14]. Поскольку эффект Ярковского приводит к вековым возмущениям большой полуоси, используется трансверсальное ускорение в виде

${{{\mathbf{a}}}_{t}} = {{A}_{2}}{{\left( {\frac{{{{r}_{0}}}}{r}} \right)}^{2}}{\mathbf{\hat {t}}},$
где $r$ – гелиоцентрическое расстояние до астероида, ${{r}_{0}} = 1$ а.е, ${{A}_{2}}$ – динамический параметр, определяемый в орбитальной подгонке вместе с элементами орбиты. Далее оценивается дрейф большой полуоси орбиты, и этот дрейф учитывается при прогнозировании движения астероида. Тем не менее значительная часть эффекта при определении его этим способом остается неучтенной, что может вызвать заметные ошибки при прогнозировании движения тела на основе найденной орбиты [5].

Более точным, на наш взгляд, является вычисление компонентов ускорения на основе какой-либо модели силы Ярковского. В настоящее время ведется обширная работа по определению теплофизических характеристик малых тел с помощью наблюдений, получаемых в наземных и орбитальных обсерваториях, например, определение формы и параметров вращения астероидов по их фотометрии [6, 7], определение диаметра и геометрического альбедо по общему тепловому излучению тел, полученному в результате 4-полосной тепловой инфракрасной съемки всего неба, проведенной находящимся на околоземной орбите инфракрасным телескопом (проект N-EOWISE) [8], уточнение тепловых характеристик поверхности при лабораторных исследованиях образцов метеоритного и астероидного вещества [9], а также в результате космических миссий к астероидам [1012]. В будущем, при расширении знаний о свойствах малых тел явный учет эффекта Ярковского станет более предпочтительным.

Как упоминалось выше, при оценке дрейфа большой полуоси вследствие эффекта Ярковского возмущающее ускорение обычно моделируют трансверсальным компонентом. Однако тангенциальный компонент ускорения оказывает более непосредственное влияние на изменение скорости объекта и, как следствие, на дрейфы большой полуоси и средней аномалии. Это не принципиально для круговых орбит и при малых эксцентриситетах, когда трансверсальная и тангенциальная составляющие практически совпадают. Но для высокоэллиптических орбит это не так. Очевидно также, что величина изменения элементов орбиты не должна зависеть от выбора системы отсчета. Далее мы определим дрейфы элементов и смещение относительно невозмущенного положения за 1000 орбитальных оборотов для модельных астероидов с теплофизическими характеристиками как у астероида 101 955 Bennu, но с различными эксцентриситетами орбит в двух орбитальных системах и сравним их.

Для этого рассмотрим движение точки нулевой массы $\mathcal{A}$ (Aстероида) под действием притяжения к центральному телу $\mathcal{S}$ (Солнцу) и возмущающего ускорения ${\mathbf{P}}{\kern 1pt} '$, обратно пропорционального квадрату расстояния до $\mathcal{S}$, т.е. ${\mathbf{P}}{\kern 1pt} ' = {\mathbf{P}}{\text{/}}{{r}^{2}}$, и малого по сравнению с основным ускорением ${{\varkappa }^{2}}{\text{/}}{{r}^{2}}$:

(1)
$\max \frac{{{\text{|}}{\mathbf{P}}{\kern 1pt} '{\text{|}}}}{{{{\varkappa }^{2}}{{r}^{{ - 2}}}}} = \max \frac{{{\text{|}}{\mathbf{P}}{\kern 1pt} {\text{|}}}}{{{{\varkappa }^{2}}}} = \mu \ll 1.$
Здесь ${\mathbf{r}} = \mathcal{S}\mathcal{A}$, $r = {\text{|}}{\mathbf{r}}{\text{|}}$, ${{\varkappa }^{2}}$ – произведение постоянной тяготения на массу $\mathcal{S}$, $\mu $ – малый параметр. Пусть ускорение ${\mathbf{P}}{\kern 1pt} {\text{'}}$ обязано эффекту Ярковского. В этом случае удовлетворяется условие (1), так как для АСЗ диаметром менее $1$ км типичное значение трансверсального параметра ${{A}_{2}} \sim {{10}^{{ - 15}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{ - 13}}}$ а.е./сут2, и для расстояния 1 а.е. $\mu \approx {{10}^{{ - 9}}} \ll 1$. Компоненты вектора ${\mathbf{P}}$ – постоянные и малые порядка $\mu $ величины. Для этой задачи в статье [13] получены эволюционные уравнения движения в средних элементах в первом порядке малости по $\mu $ для различных систем отсчета. В [14, 15] эти уравнения проинтегрированы для двух орбитальных систем отсчета: ${{\mathcal{O}}_{1}}$, связанной с радиусом-вектором, и ${{\mathcal{O}}_{2}}$, связанной с вектором скорости. В разделе 2 приведены частные решения, необходимые для исследования долгосрочной эволюции большой полуоси и средней аномалии.

Рассмотрим две системы отсчета с началом в $\mathcal{S}$: ${{\mathcal{O}}_{1}}$ с осями, направленными по радиусу-вектору, трансверсали (перпендикуляру к радиусу-вектору в плоскости оскулирующей орбиты в сторону движения) и бинормали (направленной по вектору площадей) и ${{\mathcal{O}}_{2}}$ с осями по вектору скорости, нормали к нему в плоскости оскулирующей орбиты и бинормали. Пусть вектор ${\mathbf{P}}$ имеет компоненты ${{P}_{r}},\;{{P}_{t}},\;{{P}_{n}}$ в системе ${{\mathcal{O}}_{1}}$ и ${{P}_{\mathfrak{T}}},\;{{P}_{\mathfrak{N}}},\;{{P}_{n}}$ в ${{\mathcal{O}}_{2}}$. Обозначим средние за орбитальный период значения компонентов вектора ${\mathbf{P}}$ следующим образом: $S = {{\bar {P}}_{r}}$, $T = {{\bar {P}}_{t}}$, $\mathfrak{T} = {{\bar {P}}_{\mathfrak{T}}}$, $\mathfrak{N} = {{\bar {P}}_{\mathfrak{N}}}$, $W = {{\bar {P}}_{n}}$ и будем называть их радиальным, трансверсальным, тангенциальным, нормальным и бинормальным параметрами соответственно. В статье [16] выведены соответствующие выражения для параметров $S$, $T$, $W$ на основе формул для составляющих ускорения Ярковского в проекции на оси системы ${{\mathcal{O}}_{1}}$, полученных в рамках линейной теплофизической модели силы Ярковского для сферических астероидов [17] и опубликованных в [18]. В настоящей статье выведены тангенциальный $\mathfrak{T}$ и нормальный $\mathfrak{N}$ параметры (см. раздел 3).

В разделе 4 для модельных астероидов в двух орбитальных системах отсчета найдены дрейфы большой полуоси и средней аномалии, а также смещение относительно невозмущенного положения за счет эффекта Ярковского и проведено их сравнение.

2. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ

Как показано в [16], бинормальный компонент Pn в среднем за орбитальный период равен нулю (W = 0), поэтому используем частные аналитические решения.

Для системы отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$ [14]:

$t = \frac{{{{\varkappa }^{2}}}}{{{{n}_{0}}T}}{{\left( {\frac{{{{\eta }_{0}}}}{{1 - {{\eta }_{0}}}}} \right)}^{3}}\left( {2\ln \frac{\eta }{{{{\eta }_{0}}}} + \frac{1}{\eta } - \eta - \frac{1}{{{{\eta }_{0}}}} + {{\eta }_{0}}} \right),$
(2)
$\begin{gathered} a = {{a}_{0}}{{\left[ {\frac{{{{\eta }_{0}}\left( {1 - \eta } \right)}}{{\eta \left( {1 - {{\eta }_{0}}} \right)}}} \right]}^{2}}, \\ i = {{i}_{0}},\quad \Omega = {{\Omega }_{0}},\quad \omega = {{\omega }_{0}}, \\ \end{gathered} $
$M = {{M}_{0}} + \frac{{{{\varkappa }^{2}} - 2{\kern 1pt} S}}{T}\left( {\eta + \ln \frac{{1 - \eta }}{{1 - {{\eta }_{0}}}} - {{\eta }_{0}}} \right),$
и для ${{\mathcal{O}}_{2}}$ [15]:
$\begin{gathered} t = \frac{{\pi \eta _{0}^{3}{{\varkappa }^{2}}}}{{4{{n}_{0}}\mathfrak{T}}}\int\limits_{{{e}_{0}}}^e \frac{e}{{{{\eta }^{3}}[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]}} \times \\ \times \;\left( {\exp \int\limits_{{{e}_{0}}}^e \frac{{3x{\mathbf{K}}(x){\kern 1pt} dx}}{{2[{\mathbf{E}}(x) - (1 - {{x}^{2}}){\mathbf{K}}(x)]}}} \right){\kern 1pt} de, \\ \end{gathered} $
$a = {{a}_{0}}{{\left( {\frac{{{{\eta }_{0}}}}{\eta }} \right)}^{2}}\exp \left[ {\int\limits_{{{e}_{0}}}^e \frac{{e{\mathbf{K}}(e){\kern 1pt} de}}{{[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]}}} \right],$
(3)
$i = {{i}_{0}},\quad \Omega = {{\Omega }_{0}},$
$\omega = {{\omega }_{0}} + \int\limits_{{{e}_{0}}}^e \left\{ {\frac{{e{\mathbf{K}}(e)}}{{2[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]}}\frac{\mathfrak{N}}{\mathfrak{T}}} \right\}{\kern 1pt} de,$
$\begin{gathered} M = {{M}_{0}} + \int\limits_{{{e}_{0}}}^e \left\{ {\frac{{\pi {{\varkappa }^{2}}e}}{{4[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]\mathfrak{T}}} + } \right. \\ \left. {\, + \frac{{e\eta {\mathbf{K}}(e)}}{{2[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]}}\frac{\mathfrak{N}}{\mathfrak{T}}} \right\}{\kern 1pt} de. \\ \end{gathered} $
Здесь и далее индексом $0$ отмечены значения переменных в начальную эпоху $t = 0$, $e$ – эксцентриситет, $a$ – большая полуось, $n = \varkappa {{a}^{{ - 3/2}}}$ – среднее движение, $\eta = \sqrt {1 - {{e}^{2}}} $, $i$ – наклон, $\Omega $ – долгота восходящего узла, $\omega $ – аргумент перицентра, $M$ – средняя аномалия, а также использованы стандартные обозначения для полных эллиптических интегралов в нормальной тригонометрической форме [19]:

(4)
$\begin{gathered} {\mathbf{K}}(e) = \int\limits_0^{\pi /2} \frac{{dx}}{{\sqrt {1 - {{e}^{2}}{{{\sin }}^{2}}x} }}{\kern 1pt} , \\ {\mathbf{E}}(e) = \int\limits_0^{\pi /2} \sqrt {1 - {{e}^{2}}{{{\sin }}^{2}}x} {\kern 1pt} dx. \\ \end{gathered} $

Решение (3) содержит определенные интегралы от комбинаций полных эллиптических интегралов, которые можно найти численными методами.

Первое выражение в системах (2), (3) представляет собой кинематическое уравнение, с помощью которого можно найти время, за которое произойдет заданное изменение эксцентриситета, и, наоборот, решая кинематическое уравнение $t(e) = \Delta t$ относительно $e$, найти изменение эксцентриситета за время $\Delta t$.

Область определения решений (2), (3) указана в [14, 15]. Там же даны представления этих решений в виде разложений в ряд по степеням эксцентриситета. Согласно [16] в случае решения (2) для системы отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$ при $e \leqslant 0.8$ необходимо использовать степенн${\text{ы}}\prime $е ряды, поэтому приведем их здесь:

$\begin{gathered} t = \frac{{{{\varkappa }^{2}}}}{{{{n}_{0}}T}}{{\left[ {\sum\limits_{k = 0}^\infty \frac{{(2k + 1)!!}}{{(2k + 2)!!}}e_{0}^{{2k}}} \right]}^{{ - 3}}} \times \\ \times \;\sum\limits_{k = 0}^\infty \left( {\frac{{(2k + 3)!!}}{{(2k + 4)!!}} - \frac{1}{{k + 3}}} \right)\left( {\frac{{{{e}^{6}}}}{{e_{0}^{6}}}{{e}^{{2k}}} - e_{0}^{{2k}}} \right), \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} a = {{a}_{0}}{{\left( {\frac{e}{{{{e}_{0}}}}} \right)}^{4}}{{\left[ {\sum\limits_{k = 0}^\infty \frac{{(2k + 1)!!}}{{(2k + 2)!!}}e_{0}^{{2k}}} \right]}^{{ - 2}}} \times \\ \times \;{{\left[ {\sum\limits_{k = 0}^\infty \frac{{(2k + 1)!!}}{{(2k + 2)!!}}{{e}^{{2k}}}} \right]}^{2}}, \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} M = {{M}_{0}} + \frac{{{{\varkappa }^{2}} - 2{\kern 1pt} S}}{T} \times \\ \times \;\left[ {2\ln \left( {\frac{e}{{{{e}_{0}}}}} \right) - \sum\limits_{k = 1}^\infty \frac{{(2k - 2)!}}{{{{2}^{{2k}}}{{{(k!)}}^{2}}}}({{e}^{{2k}}} - e_{0}^{{2k}})} \right]. \\ \end{gathered} $

Приведем также решение для круговой орбиты, которое предпочтительнее использовать вместо (2), (3) при $e \approx 0$:

$a = {{a}_{0}}{{\left( {1 + \frac{t}{{{{t}_{1}}}}} \right)}^{{2/3}}},\quad i = {{i}_{0}},\quad \Omega = {{\Omega }_{0}},\quad \omega = {{\omega }_{0}},$
$\lambda = {{\lambda }_{0}} + {{n}_{0}}{{t}_{1}}\left( {1 + \frac{{2\mathfrak{N}}}{{{{\varkappa }^{2}}}}} \right)\ln \left( {1 + \frac{t}{{{{t}_{1}}}}} \right)\quad {\text{при}}\quad {{t}_{1}} = \frac{{{{\varkappa }^{2}}}}{{3\mathfrak{T}{{n}_{0}}}},$
где средняя долгота $\lambda = \Omega + \omega + M$. Это решение справедливо и в системе отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$ при замене $\mathfrak{T} \to T$, $\mathfrak{N} \to - S$.

3. МОДЕЛЬ УСКОРЕНИЯ ЯРКОВСКОГО

В рамках линейной теплофизической модели ускорения Ярковского для сферических астероидов [17] радиальный, трансверсальный и бинормальный компоненты этого ускорения в системе отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$ имеют вид [18, ф-лы (12)]:

$\begin{gathered} P_{r}^{'} = \frac{{{{P}_{r}}}}{{{{r}^{2}}}} = \frac{{4\alpha \Phi }}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}\sin ({{\delta }_{{R_{s}^{'}}}} + \lambda )\sin \lambda {{\sin }^{2}}\gamma + \\ \, + {{E}_{{R_{d}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}[{{\cos }^{2}}\lambda + {{\sin }^{2}}\lambda {{\cos }^{2}}\gamma ]\} , \\ \end{gathered} $
(5)
$\begin{gathered} P_{t}^{'} = \frac{{{{P}_{t}}}}{{{{r}^{2}}}} = \frac{{4\alpha \Phi }}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}\sin ({{\delta }_{{R_{s}^{'}}}} + \lambda )\cos \lambda {{\sin }^{2}}\gamma - \\ - \;{{E}_{{R_{d}^{'}}}}[\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\sin \lambda \cos \lambda {{\sin }^{2}}\gamma + \sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma ]\} , \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} P_{n}^{'} = \frac{{{{P}_{n}}}}{{{{r}^{2}}}} = \frac{{4\alpha \Phi }}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}\sin ({{\delta }_{{R_{s}^{'}}}} + \lambda )\sin \gamma \cos \gamma - \\ - \;{{E}_{{R_{d}^{'}}}}[\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\sin \lambda \sin \gamma \cos \gamma - \sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \lambda \sin \gamma ]\} , \\ \end{gathered} $
где индекс $s$ соответствует сезонному эффекту Ярковского, $d$ – суточному. В (5) $\gamma $ – наклон оси вращения астероида относительно нормали к плоскости его орбиты, $\lambda = {{\omega }_{{{\text{rev}}}}}(t - {{t}_{0}})$ – средняя долгота, ${{\omega }_{{{\text{rev}}}}}$ – среднее движение, $t$ – время, ${{t}_{0}}$ – момент начала отсчета времени, $\alpha = 1 - A$ – коэффициент оптического поглощения, $A$ – альбедо Бонда,
$\begin{gathered} \Phi = \frac{{{{\mathcal{E}}_{ \star }}\pi {{R}^{2}}}}{{mc}},\quad \chi = \frac{{{{\Theta }_{s}}}}{{\sqrt 2 R_{s}^{'}}},\quad {{\Theta }_{s}} = \frac{{\Gamma \sqrt {{{\omega }_{{{\text{rev}}}}}} }}{{\epsilon \sigma T_{ \star }^{3}}}, \\ \Gamma = \sqrt {K\rho C} ,\quad {{T}_{ \star }} = {{\left( {\frac{{\alpha {{\mathcal{E}}_{ \star }}}}{{\epsilon \sigma }}} \right)}^{{1/4}}}, \\ \end{gathered} $
$\Gamma $ – тепловая инерция поверхности, ${{T}_{ \star }}$ – температура подсолнечной точки, ${{\mathcal{E}}_{ \star }} = {{L}_{ \odot }}{\text{/}}(4\pi {{a}^{2}})$ – поток излучения Солнца на гелиоцентрическом расстоянии $a$, ${{L}_{ \odot }} = 3.86 \times {{10}^{{26}}}$ Вт – светимость Солнца, $c = 299792458$ м/с – скорость света, $\sigma = 5.670374419 \times {{10}^{{ - 8}}}$ Вт м–2 К–4 – постоянная Стефана–Больцмана, $m$, $R$, $\rho $, $\epsilon $, $K$, $C$ – масса, радиус, объемная плотность, тепловая излучательная способность, теплопроводность и удельная теплоемкость астероида соответственно. Далее,
$\begin{gathered} R_{s}^{'} = \frac{R}{{{{l}_{s}}}},\quad {{l}_{s}} = \frac{\Gamma }{{\rho C\sqrt {{{\omega }_{{{\text{rev}}}}}} }},\quad {{\omega }_{{{\text{rev}}}}} = \frac{{2\pi }}{{{{P}_{{{\text{rev}}}}}}}, \\ R_{d}^{'} = \frac{R}{{{{l}_{d}}}},\quad {{l}_{d}} = {{l}_{s}}\sqrt {\frac{{{{\omega }_{{{\text{rev}}}}}}}{{{{\omega }_{{{\text{rot}}}}}}}} ,\quad {{\omega }_{{{\text{rot}}}}} = \frac{{2\pi }}{{{{P}_{{{\text{rot}}}}}}}, \\ \end{gathered} $
где ${{P}_{{{\text{rev}}}}}$ – период обращения астероида вокруг Солнца, ${{P}_{{{\text{rot}}}}}$ – период его вращения вокруг оси. Кроме того, в (5) амплитуда ${{E}_{{R'}}} = E(\sqrt 2 R{\kern 1pt} ')$ и фаза ${{\delta }_{{R'}}} = \delta (\sqrt 2 R{\kern 1pt} ')$ определены, как и в [17], соотношениями
(6)
$\begin{gathered} {{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\exp (i{{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}}) = \frac{{A(x) + iB(x)}}{{C(x) + iD(x)}}, \\ {{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\exp ( - i{{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}}) = \frac{{A(x) - iB(x)}}{{C(x) - iD(x)}}, \\ \end{gathered} $
где $i = \sqrt { - 1} $, $x = \sqrt 2 R{\kern 1pt} '$ и вспомогательные функции

$A(x) = - (x + 2) - {{e}^{x}}[(x - 2)\cos x - x\sin x],$
$B(x) = - x - {{e}^{x}}[x\cos x + (x - 2)\sin x],$
$\begin{gathered} C(x) = A(x) + \frac{\chi }{{1 + \chi }}\left( {3(x + 2)\mathop + \limits_{} } \right. \\ + \;\left. {{{e}^{x}}[3(x - 2)\cos x + x(x - 3)\sin x]} \right), \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} D(x) = B(x) + \frac{\chi }{{1 + \chi }}\left( {x(x + 3)\mathop - \limits_{_{{}}} } \right. \\ \left. {\mathop - \limits_{_{{}}} \;{{e}^{x}}[x(x - 3)\cos x - 3(x - 2)\sin x]} \right). \\ \end{gathered} $

С учетом (6) получим

(7)
$\begin{gathered} {{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\cos {{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}} = \frac{{A(x)C(x) + B(x)D(x)}}{{C{{{(x)}}^{2}} + D{{{(x)}}^{2}}}}, \\ {{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\sin {{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}} = \frac{{B(x)C(x) - A(x)D(x)}}{{C{{{(x)}}^{2}} + D{{{(x)}}^{2}}}}. \\ \end{gathered} $

Линейная теплофизическая модель [17] разработана в рамках упрощающих предположений: круговая орбита вокруг Солнца и сферическая форма астероида. Для эллиптической орбиты коэффициент $\Phi $ будет зависеть от гелиоцентрического расстояния $r$ как $\Phi = ({{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}){\text{/}}{{r}^{2}}$, где ${{r}_{0}} = 1$ а.е., ${{\Phi }_{0}}$ – это $\Phi $, вычисленное для расстояния 1 а.е. Эта обратная пропорциональность квадрату расстояния уже заложена в наши уравнения движения (2), (3) согласно поставленной во Введении задаче. Далее, заменим среднюю долготу $\lambda $, описывающую положение тела на орбите, на среднюю аномалию $M$ и проведем осреднение по средней аномалии за орбитальный период выражений для тангенциального ${{P}_{\mathfrak{T}}}$ и нормального ${{P}_{\mathfrak{N}}}$ компонентов вектора P, при этом учтем, что

(8)
$\begin{gathered} {{P}_{\mathfrak{T}}} = {{P}_{r}}\sin f + {{P}_{t}}\cos f, \\ {{P}_{\mathfrak{N}}} = - {{P}_{r}}\cos f + {{P}_{t}}\sin f, \\ \end{gathered} $
где ${{P}_{r}}$, ${{P}_{t}}$ – радиальная и трансверсальная составляющие вектора P, $f$ – угол, на который надо повернуть вектор скорости до совмещения с трансверсалью (рис. 1),
(9)
$\cos f = \frac{\eta }{{\sqrt {1 - {{e}^{2}}{{{\cos }}^{2}}E} }}{\kern 1pt} ,\quad \sin f = \frac{{e\sin E}}{{\sqrt {1 - {{e}^{2}}{{{\cos }}^{2}}E} }}{\kern 1pt} ,$
$E$ – эксцентрическая аномалия, $M = E - e\sin E$.

Рис. 1.

Угол поворота $f$ вектора скорости ${\mathbf{v}}$ до совмещения с трансверсалью. Оси системы ${{\mathcal{O}}_{1}}$ – радиальная ${{x}_{1}}$ и трансверсальная ${{y}_{1}}$. Оси системы ${{\mathcal{O}}_{2}}$ – тангенциальная ${{x}_{2}}$ и нормальная ${{y}_{2}}$. Бинормальные оси ${{z}_{1}}$, ${{z}_{2}}$ направлены на нас, ортогонально к орбитальной плоскости. Угол $\theta $ – истинная аномалия.

При осреднении мы предположим, что ориентация оси вращения астероида и периоды ${{P}_{{{\text{rev}}}}}$, ${{P}_{{{\text{rot}}}}}$ не изменяются со временем.

Учитывая в (5), что $\Phi = ({{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}){\text{/}}{{r}^{2}}$, запишем выражения для ${{P}_{r}}$ и ${{P}_{t}}$ в виде:

$\begin{gathered} {{P}_{r}} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}\sin 2M + \\ \, + \cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(1 - \cos 2M)] + \\ \end{gathered} $
(10)
$\begin{gathered} + \;{{E}_{{R_{d}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}[1 + \cos 2M + (1 - \cos 2M){{\cos }^{2}}\gamma ]\} , \\ {{P}_{t}} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} [\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(1 + \cos 2M) + \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} \, + \cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}\sin 2M] - \\ - \;{{E}_{{R_{d}^{'}}}}[\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\sin 2M{{\sin }^{2}}\gamma + 2\sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma ]\} . \\ \end{gathered} $

Подставим (10) в (8) и приведем подобные слагаемые:

$\begin{gathered} {{P}_{\mathfrak{T}}} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(\cos f + \\ + \;\cos 2M\cos f + \sin 2M\sin f) + \\ \end{gathered} $
(11)
$\begin{gathered} + \;\cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(\sin f - \cos 2M\sin f + \\ + \;\sin 2M\cos f)] + \\ + \;{{E}_{{R_{d}^{'}}}}[\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}([1 + \mathop {\cos }\nolimits^2 \gamma ]\sin f + \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} + \;{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}\cos 2M\sin f - \sin 2M\cos f]) - \\ - \;2\sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma \cos f]\} , \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} {{P}_{\mathfrak{N}}} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(\cos 2M\sin f - \\ - \;\sin 2M\cos f + \sin f) + \\ \end{gathered} $
(12)
$\begin{gathered} + \;\cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}(\sin 2M\sin f + \cos 2M\cos f - \\ - \;\cos f)] - {{E}_{{R_{d}^{'}}}}[\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}([1 + {{\cos }^{2}}\gamma ]\cos f + \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} + \;{{\sin }^{2}}\gamma {\kern 1pt} {\kern 1pt} \text{[}\cos 2M\cos f + \sin 2M\sin f]) + \\ \, + 2\sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma \sin f]\} . \\ \end{gathered} $

Проведем осредняющую процедуру выражений (11), (12):

$\begin{gathered} \mathfrak{T} = {{{\bar {P}}}_{\mathfrak{T}}} = \frac{1}{{2\pi }}\int\limits_0^{2\pi } {{P}_{\mathfrak{T}}}(M)dM = \\ = \frac{1}{{2\pi }}\int\limits_0^{2\pi } {{P}_{\mathfrak{T}}}(E)(1 - e\cos E)dE, \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} \mathfrak{N} = {{{\bar {P}}}_{\mathfrak{N}}} = \frac{1}{{2\pi }}\int\limits_0^{2\pi } {{P}_{\mathfrak{N}}}(M)dM = \\ = \frac{1}{{2\pi }}\int\limits_0^{2\pi } {{P}_{\mathfrak{N}}}(E)(1 - e\cos E)dE, \\ \end{gathered} $
и, учитывая результаты, приведенные в Приложении А (ф-лы (A14)), получим тангенциальный и нормальный параметры:
$\mathfrak{T} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9\pi (1 + \chi )}}\left\{ {\mathop {{{E}_{{R_{s}^{'}}}}\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}{{{\sin }}^{2}}\gamma \left( {2\eta {\mathbf{K}}(e)\mathop - \limits_{_{{}}} } \right.}\limits_{}^{} } \right.$
(13)
$\begin{gathered} - \;\sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{1k}}}{{e}^{{2k}}}[2{{e}^{2}}({{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{{k + 2}}}) + \eta (2{{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{k}})] + \\ + \;\sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{2k}}}{{e}^{{2k + 2}}}\left. {(2{{I}_{{k + 2}}} - {{I}_{{k + 1}}} + 2\eta ({{I}_{{k + 2}}} - {{I}_{{\mathop {k + 1}\limits_{} }}}))} \right) - \\ \end{gathered} $
$ - \;\left. {\mathop {4\eta {\mathbf{K}}(e){{E}_{{R_{d}^{'}}}}\sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma }\limits_{}^{} } \right\},$
$\begin{gathered} \mathfrak{N} = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9\pi (1 + \chi )}}\left\{ {{{E}_{{R_{s}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}{{{\sin }}^{2}}\gamma \left( {\mathop { - 2\eta {\mathbf{K}}(e)}\limits_{}^{} } \right. + } \right. \\ + \;\sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{1k}}}{{e}^{{2k}}}[\eta ({{I}_{k}} - 2{{I}_{{k + 1}}}) - 2{{e}^{2}}({{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{{k + 2}}})] - \\ \end{gathered} $
(14)
$\begin{gathered} \left. { - \;\sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{2k}}}{{e}^{{2k + 2}}}[{{I}_{{k + 1}}} - 2{{I}_{{k + 2}}} + 2\eta ({{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{{k + 2}}})]} \right) - \\ \, - {{E}_{{R_{d}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\left[ {\mathop {2\eta {\mathbf{K}}(e)(1 + {{{\cos }}^{2}}\gamma ) + }\limits_{}^{} } \right. \\ \end{gathered} $
$\begin{gathered} + \;{{\sin }^{2}}\gamma \sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{1k}}}{{e}^{{2k}}}[\eta ({{I}_{k}} - 2{{I}_{{k + 1}}}) - 2{{e}^{2}}({{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{{k + 2}}})] - \\ \left. {\left. { - \;{{{\sin }}^{2}}\gamma \sum\limits_{k = 0}^\infty \,{{g}_{{2k}}}{{e}^{{2k + 2}}}[2\eta ({{I}_{{k + 1}}} - {{I}_{{k + 2}}}) + {{I}_{{k + 1}}} - 2{{I}_{{k + 2}}}]} \right]} \right\}, \\ \end{gathered} $
где ${{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\cos {{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}}$, ${{E}_{{R{\kern 1pt} '}}}\sin {{\delta }_{{R{\kern 1pt} '}}}$ определены формула-ми (7), ${{I}_{k}}$ выражены рекуррентной формулой:
${{I}_{k}} = \left\{ \begin{gathered} 2{\mathbf{K}}(e)\quad {\text{при}}\quad k = 0, \hfill \\ \frac{2}{{{{e}^{2}}}}[{\mathbf{E}}(e) - {{\eta }^{2}}{\mathbf{K}}(e)]\quad {\text{при}}\quad k = 1, \hfill \\ \frac{{(2{{e}^{2}} - 1)(2k - 2)}}{{{{e}^{2}}(2k - 1)}}{{I}_{{k - 1}}} + \frac{{(1 - {{e}^{2}})(2k - 3)}}{{{{e}^{2}}(2k - 1)}}{{I}_{{k - 2}}} \hfill \\ {\text{при}}\quad k > 1, \hfill \\ \end{gathered} \right.$
коэффициенты ${{g}_{{1k}}}$, ${{g}_{{2k}}}$ даны в Приложении А (ф‑лы (A7)), их значения при $k = 0{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 15$ приведены в таблице 4 Приложения А.

Выражения для радиального, трансверсального и бинормального параметров получены в статье [16]. Запишем их в виде:

(15)
$\begin{gathered} S = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma + \\ \, + {{E}_{{R_{d}^{'}}}}\cos {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}(1 + {{\cos }^{2}}\gamma )\} , \\ T = \frac{{2\alpha {{\Phi }_{0}}r_{0}^{2}}}{{9(1 + \chi )}}\{ {{E}_{{R_{s}^{'}}}}\sin {{\delta }_{{R_{s}^{'}}}}{{\sin }^{2}}\gamma - \\ - \;2{{E}_{{R_{d}^{'}}}}\sin {{\delta }_{{R_{d}^{'}}}}\cos \gamma \} ,\quad W = 0. \\ \end{gathered} $

Сравнивая (13), (14) c (15), увидим, что тангенциальный и нормальный параметры отличаются от трансверсального и радиального умножением суточного и сезонного компонентов на коэффициенты, зависящие от эксцентриситета. Учитывая выражение (A15) в Приложении, при $e = 0$ получим $ - \mathfrak{N} = S$, $\mathfrak{T} = T$, т.е. для круговых орбит триэдр ($S,\;T,\;W$) совпадает с триэдром ($ - \mathfrak{N},\;\mathfrak{T},\;W$), как и должно быть. При $e = 1$ эллиптическая орбита вырождается в прямолинейное движение и процедура осреднения за орбитальный период теряет смысл, поэтому формулы (13)(15) неприменимы при $e = 1$.

Замечание 1. Радиальный $S$, трансверсальный T и бинормальный $W$ параметры являются аналогами негравитационных параметров ${{A}_{1}}$, ${{A}_{2}}$ и ${{A}_{3}}$ [20]. Они связаны соотношениями ${{A}_{1}} = S{\text{/}}r_{0}^{2}$, ${{A}_{2}} = T{\text{/}}r_{0}^{2}$, ${{A}_{3}} = W{\text{/}}r_{0}^{2}$, где ${{r}_{0}} = 1$ а.е.

Замечание 2. Выражения (13)–(15) позволяют оценить величину эффекта Ярковского, но требуют знания таких характеристик тела, как диаметр, объемная плотность, скорость вращения, наклон оси вращения к плоскости орбиты, альбедо Бонда, тепловая инерция поверхности, удельная теплоемкость, тепловая излучательная способность.

4. ЭВОЛЮЦИЯ ОРБИТ МОДЕЛЬНЫХ АСТЕРОИДОВ

Рассмотрим модельные объекты с различными эксцентриситетами орбит от 0 до 0.99, при этом все остальные орбитальные и теплофизические характеристики соответствуют астероиду 101 955 Bennu (табл. 1). Найдем для них средние по орбите значения компонентов вектора P, дрейфы элементов и смещение относительно невозмущенного положения в двух системах отсчета. Отметим дрейфы элементов и смещение нижним индексом “1”, если они определены в системе отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$, и “2” в системе ${{\mathcal{O}}_{2}}$.

Таблица 1.  

Элементы орбиты, теплофизические характеристики и параметры вращения астероида 101955 Bennu

Параметр Значение Ссылка
Большая полуось ${{a}_{0}}$, а.е. 1.126391025894812 [20]
Среднее движение ${{n}_{0}}$, °/ сут 0.8244613503320309 [20]
Наклон ${{i}_{0}}$, ° 6.03494377024794 [20]
Долгота восходящего узла ${{\Omega }_{0}}$, ° 2.06086619569642 [20]
Аргумент перицентра ${{\omega }_{0}}$, ° 66.22306084084298 [20]
Средняя аномалия ${{M}_{0}}$, ° 101.703952002457 [20]
Период обращения вокруг Солнца ${{P}_{{{\text{rev}}}}}$, сут 436.6487281120201 [20]
Период обращения вокруг Солнца ${{P}_{{{\text{rev}}}}}$, годы 1.195479063961725 [20]
Тепловая инерция $\Gamma $, Дж$ \cdot $м–2 с–1/2 K–1 300 [12]
Удельная теплоемкость $C$, Дж · кг–1 K–1 750 [9]
Тепловая излучательная способность $\epsilon $ 0.95 [12]
Радиус $R$, м 242.22 [12]
Период вращения вокруг оси ${{P}_{{{\text{rot}}}}}$, час 4.2960015 [12]
Объемная плотность $\rho $, кг · м–3 1194 [12]
Альбедо Бонда $A$ 0.0170 [22]
Прямое восхождение полюса $\alpha $, ° 85.45218 [12]
Склонение полюса $\delta $, ° –60.36780 [12]
Наклон оси вращения $\gamma $, ° 177.53514  

Примечание. Как и в [12], мы предполагаем удельную теплоемкость $C = 750$ Дж · кг–1 K–1, основанную на измерениях метеоритов класса CM (углеродистые хондриты) [9]. $\gamma $ вычислено по экваториальным координатам полюса в соответствии с методикой, приведенной в [23]. Эпоха элементов орбиты 2455562.5 (2011–Jan–01.0) TDB (дата обращения к базе данных JPL 03.02.2022).

Для сравнения также вычислим дрейф средней аномалии и смещение по оценочным формулам, приведенным в [21]:

(16)
(17)
$\Delta \rho \simeq 7{{\dot {a}}_{4}}{{({{\Delta }_{{10}}}t)}^{2}}a_{{AU}}^{{ - 3/2}}\;{\text{км}},$
где $\Delta M$ – изменение средней аномалии в угловых секундах; $\Delta \rho $ – смещение в километрах; ${{\dot {a}}_{4}}$ – дрейф большой полуоси за счет эффекта Ярковского в единицах ${{10}^{{ - 4}}}$ а.е./млн. лет (значения приведены в 8-м столбце табл. 2); ${{\Delta }_{{10}}}t = 119.5479063961725$ – период времени, за который производится оценка, в десятках лет; ${{a}_{{AU}}}$ – большая полуось в астрономических единицах (табл. 1). Оценки (16), (17) получены в системе отсчета ${{\mathcal{O}}_{1}}$, пренебрегая членами четвертого порядка по эксцентриситету.

Таблица 2.  

Тангенциальный $\mathfrak{T}$ и нормальный $\mathfrak{N}$ параметры, изменения средней аномалии $d{{M}_{1}}$, $d{{M}_{2}}$ и большой полуоси $d{{a}_{1}}$, $d{{a}_{2}}$ за 1000 оборотов вокруг Солнца ($ \approx {\kern 1pt} 1195.48$ лет) в зависимости от начального эксцентриситета ${{e}_{0}}$

${{e}_{0}}$ $\mathfrak{T}$, ${{10}^{{ - 14}}}$
а.е.3/сут2
$\mathfrak{N}$, ${{10}^{{ - 14}}}$
а.е. 3/сут2
$d{{M}_{1}}$, $\prime $ $d{{M}_{2}}$, $\prime $ $d{{a}_{1}}$, ${{10}^{{ - 4}}}$ а.е. $d{{a}_{2}}$, ${{10}^{{ - 4}}}$ а.е. ${{\dot {a}}_{4}}$, ${{10}^{{ - 4}}}$
а.е./млн лет
$\Delta M$, $\prime $
0 –5.10168 –9.91079 35.083 35.083 –0.0244 –0.0244 –20.4226 36.126
0.001 –5.10168 –9.91079 35.083 35.091 –0.0244 –0.0244 –20.4226 36.126
0.01 –5.10155 –9.91054 35.086 35.094 –0.0244 –0.0244 –20.4246 36.130
0.05 –5.09849 –9.90457 35.169 35.179 –0.0245 –0.0245 –20.4738 36.217
0.10 –5.08887 –9.88585 35.436 35.445 –0.0246 –0.0246 –20.6289 36.491
0.20 –5.04976 –9.80969 36.541 36.544 –0.0254 –0.0254 –21.2735 37.631
0.30 –4.98212 –9.67805 38.555 38.511 –0.0268 –0.0268 –22.4424 39.699
0.40 –4.88179 –9.48280 41.767 41.592 –0.0291 –0.0289 –24.3125 43.007
0.50 –4.74156 –9.20998 46.783 46.252 –0.0325 –0.0322 –27.2298 48.168
0.60 –4.54897 –8.83547 54.827 53.404 –0.0381 –0.0371 –31.9094 56.445
0.70 –4.28099 –8.31451 68.808 65.068 –0.0478 –0.0452 –40.0414 70.830
0.80 –3.88832 –7.55138 97.475 86.772 –0.0678 –0.0603 –56.7181 100.330
0.85 –3.60997 –7.01056 126.470 106.582 –0.0879 –0.0741 –73.5681 130.137
0.90 –3.22864 –6.26976 184.719 142.155 –0.1284 –0.0988 –107.4058 189.993
0.95 –2.62669 –5.10050 359.973 230.430 –0.2503 –0.1602 –209.0021 369.709
0.97 –2.23295 –4.33575 593.878 326.187 –0.4129 –0.2268 –344.0411 608.583
0.99 –1.53792 –2.98595 1763.840 673.643 –1.2263 –0.4684 –1008.9714 1784.796

Примечание. Для всех значений ${{e}_{0}}$ радиальный параметр $S = 9.91079 \times {{10}^{{ - 14}}}$ а.е.3/сут2, трансверсальный параметр $T = - 5.10168 \times {{10}^{{ - 14}}}$ а.е.3/сут2. В 8 и 9 столбцах: ${{\dot {a}}_{4}}$ – дрейф большой полуоси; $\Delta M$ – изменение средней аномалии, вычисленное по формуле (16), за 1000 орбитальных оборотов.

В табл. 2 приведены тангенциальный $\mathfrak{T}$ и нормальный $\mathfrak{N}$ параметры для различных значений начального эксцентриситета ${{e}_{0}}$. Согласно (15) радиальный $S$ и трансверсальный $T$ параметры не зависят от эксцентриситета, $S = 9.91079 \times $ $ \times \;{{10}^{{ - 14}}}$ а.е.3/сут2, $T = - 5.10168 \times {{10}^{{ - 14}}}$ а.е.3/сут2 для всех ${{e}_{0}}$. На рис. 2 показано отличие $T$ от $\mathfrak{T}$ в процентном соотношении при ${{e}_{0}} > 0.7$: при ${{e}_{0}} \in (0.7,0.9)$ $T$ превышает $\mathfrak{T}$ на величину от 19 до 58%, а в интервале ${{e}_{0}} \in (0.9,0.99)$ это отличие составляет от 58 до 230%. Аналогично поведение отличия $S$ от $\mathfrak{N}$.

Рис. 2.

Отличие трансверсального $T$ параметра от тангенциального $\mathfrak{T}$ в процентном соотношении при ${{e}_{0}} > 0.7$.

Используя значения компонентов ускорения и формулы (2), (3), найдем изменения средней аномалии $d{{M}_{1}}$, $d{{M}_{2}}$ и большой полуоси $d{{a}_{1}}$, $d{{a}_{2}}$ за 1000 оборотов вокруг Солнца ($ \approx {\kern 1pt} 1195.48$ лет) при различных начальных эксцентриситетах ${{e}_{0}}$ (см. табл. 2). Отличие $d{{M}_{1}}$ от $d{{M}_{2}}$ и $d{{a}_{1}}$ от $d{{a}_{2}}$ менее $1\% $ при малых эксцентриситетах (до 0.5). При ${{e}_{0}}$ от 0.5 до 0.7 их отличие не превышает $6\% $, постепенно увеличиваясь с ростом ${{e}_{0}}$. При ${{e}_{0}} > 0.7$ эти отличия растут экспоненциально от 6 до 160%. В последнем столбце табл. 2 приведено изменение средней аномалии, вычисленное по формуле (16). Сравнение столбцов $d{{M}_{1}}$ и $\Delta M$ дает хорошее согласие этих величин (расхождение не превышает $3\% $).

По известным формулам небесной механики [24] определим смещение $d$ малого тела относительно невозмущенного положения, которое произойдет за счет эффекта Ярковского. Для этого вычислим прямоугольные координаты тела по невозмущенным и возмущенным элементам орбиты, а затем найдем расстояние между этими положениями. В табл. 3 приведены значения смещений ${{d}_{1}}$, ${{d}_{2}}$ за 1000 орбитальных оборотов ($ \approx {\kern 1pt} 1195.48$ лет) при различных ${{e}_{0}}$, а на рис. 3 показано отличие ${{d}_{1}}$ от ${{d}_{2}}$ в процентном соотношении при ${{e}_{0}} > 0.7$. При увеличении начального эксцентриситета от 0.7 до 0.9 превышение смещения ${{d}_{1}}$ над ${{d}_{2}}$ изменяется от 6 до 30%, а при ${{e}_{0}}$ от 0.9 до 0.99 отличие составляет от 30 до 127%.

Таблица 3.  

Смещения ${{d}_{1}}$, ${{d}_{2}}$ малого тела относительно невозмущенного положения за 1000 орбитальных оборотов ($ \approx {\kern 1pt} 1195.48$ лет) в зависимости от начального эксцентриситета ${{e}_{0}}$

${{e}_{0}}$, ${{d}_{1}}$, млн км ${{d}_{1}} - d_{1}^{'}$, км $d_{1}^{{''}}$, км $\Delta \rho $, млн км ${{d}_{2}}$, млн км ${{d}_{2}} - d_{2}^{'}$, км $d_{2}^{{''}}$, км
0 1.71966 0. 365.075 1.70907 1.71966 0. 365.075
0.001 1.71928 0.178 365.149 1.70907 1.71930 0.357 365.149
0.01 1.71604 1.781 365.887 1.70924 1.71609 3.561 365.887
0.05 1.70196 8.824 370.565 1.71335 1.70209 17.632 370.564
0.10 1.68551 17.446 379.653 1.72633 1.68555 34.760 379.647
0.20 1.65829 34.101 409.154 1.78028 1.65802 67.165 409.049
0.30 1.64528 50.193 455.852 1.87809 1.64295 96.892 455.244
0.40 1.65490 66.235 524.900 2.03460 1.64752 124.061 522.577
0.50 1.70106 83.050 626.827 2.27873 1.68132 149.033 619.599
0.60 1.80741 101.888 783.857 2.67034 1.76016 172.153 763.404
0.70 2.02727 124.791 1048.942 3.35087 1.91706 193.350 991.838
0.80 2.51687 155.639 1582.061 4.74646 2.24191 210.957 1408.131
0.85 3.02407 176.492 2116.054 6.15655 2.55239 216.375 1783.212
0.90 4.04230 203.772 3184.583 8.98827 3.12305 215.809 2450.715
0.95 7.02744 242.184 6390.858 17.49037 4.56189 198.477 4090.901
0.97 10.80306 261.979 10 666.079 28.79112 6.12077 177.893 5858.310
0.99 26.24914 269.915 32 042.028 84.43589 11.55552 127.993 12 238.077

Примечание. $d_{1}^{'}$, $d_{2}^{'}$ – смещения, вычисленные без учета дрейфа эксцентриситета; $d_{1}^{{''}}$, $d_{2}^{{''}}$ – смещения, вычисленные без учета дрейфов эксцентриситета и средней аномалии; $\Delta \rho $ – смещение, вычисленное по формуле (17).

Рис. 3.

Отличие смещения ${{d}_{1}}$ от смещения ${{d}_{2}}$ в процентном соотношении при ${{e}_{0}} > 0.7$.

При вычислении смещения ${{d}_{2}}$ учтено также изменение аргумента перицентра $d{{\omega }_{2}}$, но за рассматриваемый период времени оно невелико, менее угловой секунды, и мало зависит от эксцентриситета орбиты. Также малы изменения эксцентриситета $d{{e}_{1}}$, $d{{e}_{2}}$. Если их не учитывать, то смещения ${{d}_{1}}$, ${{d}_{2}}$ изменятся не более, чем на 0.01%. В табл. 3 приведены разности ${{d}_{1}} - d_{1}^{'}$, ${{d}_{2}} - d_{2}^{'}$, где $d_{1}^{'}$, $d_{2}^{'}$ – смещения, вычисленные без учета $d{{e}_{1}}$, $d{{e}_{2}}$. Если же не учитывать также и изменение средней аномалии, то за счет только изменения большой полуоси смещение относительно невозмущенного положения будет незначительным (столбцы $d_{1}^{{''}}$, $d_{2}^{{''}}$ в табл. 3). Также для сравнения в пятом столбце табл. 3 приведено смещение $\Delta \rho $, вычисленное по формуле (17). При ${{e}_{0}} > 0.7$ оценка $\Delta \rho $ превышает ${{d}_{1}}$ в $1.65{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 3.2$ раза, а ${{d}_{2}}$ в $1.75{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 7.3$ раза, что говорит о том, что оценка смещения, вычисленная по формуле (17), может быть значительно завышена. Это, возможно, объясняет низкое обнаружение эффекта Ярковского непосредственно из астрометрических наблюдений: в базе малых тел JPL среди АСЗ диаметром менее 5 км параметр ${{A}_{2}}$ определен у 45 из 588 объектов с эксцентриситетами орбит до 0.5, и лишь у 18 из 640 объектов с $e > 0.5$, хотя оценочное значение смещения при таких эксцентриситетах больше при прочих равных условиях.

В системе ${{\mathcal{O}}_{2}}$ параметры $\mathfrak{T}$ и $\mathfrak{N}$ постепенно уменьшаются с ростом ${{e}_{0}}$, но несмотря на это уменьшение дрейфы элементов и смещение относительно невозмущенного положения увеличиваются. В системе ${{\mathcal{O}}_{1}}$ рост дрейфов элементов и смещения с ростом ${{e}_{0}}$ значительно больше, чем в ${{\mathcal{O}}_{2}}$, при одинаковых $T$ и $S$ для всех ${{e}_{0}}$. Таким образом, при моделировании эффекта Ярковского радиальным и трансверсальным ускорением оценки дрейфов элементов и смещения относительно невозмущенного положения для объектов с высокоэллиптическими орбитами могут оказаться завышенными. Для таких объектов необходима разработка специальных методов учета эффекта Ярковского.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выведены выражения для средних за орбитальный период значений тангенциального и нормального компонентов ускорения Ярковского на основе параметров вращения и теплофизических характеристик астероида в рамках линейной теплофизической модели силы Ярковского для сферических астероидов. При $e \to 0$ $\mathfrak{T} \to T$, $\mathfrak{N} \to - S$, как и должно быть. Для эллиптической орбиты тангенциальный и нормальный параметры по абсолютной величине всегда меньше, чем трансверсальный и радиальный, и их отличие растет с ростом эксцентричности орбиты. Дрейфы большой полуоси и средней аномалии, а также смещения относительно невозмущенного положения, вычисленные для двух орбитальных систем отсчета, при малых эксцентриситетах (${{e}_{0}} < 0.5$) почти одинаковые. При ${{e}_{0}} > 0.5$ величины, найденные в системе ${{\mathcal{O}}_{1}}$, всегда больше тех же величин в системе ${{\mathcal{O}}_{2}}$. При ${{e}_{0}}$ от 0.5 до 0.7 отличие умеренное ($ < {\kern 1pt} 6\% $), но постепенно увеличивается, а при $e > 0.7$ наблюдается экспоненциальный рост отличия дрейфов и смещения. Таким образом, при моделировании эффекта Ярковского радиальным и трансверсальным ускорением оценки дрейфов элементов и смещения относительно невозмущенного положения для объектов с высокоэллиптическими орбитами могут оказаться завышенными. Для таких объектов необходима разработка специальных методов учета эффекта Ярковского.

Список литературы

  1. D. Farnocchia, S. R. Chesley, D. Vokrouhlický, A. Milani, F. Spoto, and W. F. Bottke, Icarus 224, 1 (2013).

  2. C. Tardioli, D. Farnocchia, B. Rozitis, D. Cotto-Figueroa, S. R. Chesley, T. S. Statler, and M. Vasile, Astron. and Astrophys. 608, id. A61 (2017).

  3. A. Del Vigna, L. Faggioli, A. Milani, F. Spoto, D. Farnocchia, and B. Carry, Astron. and Astrophys. 617, id. A61 (2018).

  4. Т. Ю. Галушина, О. М. Сюсина, Изв. Вузов. Физика 63 (3), 65 (2020).

  5. В. А. Шор, О. М. Кочетова, Л. Л. Соколов, Ю. А. Чернетенко, В сб. Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра. Глава 7, под ред. Б. М. Шустова, Л. В. Рыхловой (М.: Физматлит, 2010).

  6. J. $\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\smile}$}}{D} $urech, M. Delbó, B. Carry, J. Hanuš, and V. Ali-Lagoa, Astron. and Astrophys. 604, id. A27 (2017).

  7. J. $\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\smile}$}}{D} $urech, D. Vokrouhlický, P. Pravec, J. Hanuš, et al., Astron. and Astrophys. 609, id. A86 (2018).

  8. J. R. Masiero, C. Nugent, A. K. Mainzer, E. L. Wright, et al., Astron. J. 154(4), 168 (2017).

  9. C. P. Opeil, D. T. Britt, R. J. Macke, G. J. Consolmagno, Meteor. and Planet. Science 55 (8), id. E1 (2020).

  10. S. Tachibana, H. Sawada, R. Okazaki, Y. Takano, et al., Science, 375(6584), 1011 (2022).

  11. D. S. Lauretta, A. E. Bartels, M. A. Barucci, E. B. Bierhaus, et al., Meteor. and Planet Science 50, 834 (2015).

  12. M. G. Daly, O. S. Barnouin, J. A. Seabrook, J. Roberts, et al., Science Advances 6 (41), id. eabd3649 (2020).

  13. Т. Н. Санникова, К. В. Холшевников, Астрон. журн. 96(5), 418 (2019).

  14. Т. Н. Санникова, К. В. Холшевников, Астрон. журн. 97(9), 747 (2020).

  15. Т. Н. Санникова, Астрон. журн. 98(12), 1030 (2021).

  16. Т. Н. Санникова, Астрон. журн. 98(4), 321 (2021).

  17. D. Vokrouhlický, Astron. and Astrophys. 344, 362 (1999).

  18. Y-B. Xu, L-Y. Zhou, C. Lhotka, and W-H. Ip, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 493(1), 1447 (2020).

  19. И. С. Градштейн, И. М. Рыжик, Таблицы интегралов, рядов и произведений, под ред. А. Джеффри, Д. Цвиллингера, 7 изд-е., пер. с англ. под ред. В. В. Максимова (СПб.: БХВ-Петербург, 2011).

  20. JPL Small-Body Database Search Engine, Jet Propulsion Laboratory NASA, https://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb_query.cgi.

  21. D. Vokrouhlický, A. Milani, and S. R. Chesley, Icarus 148, 118 (2000).

  22. C. W. Hergenrother, C. K. Maleszewski, M. C. Nolan, J. -Y. Li, et al., Nature Comm. 10, 1291 (2019).

  23. C. Lhotka, J. Souchay, and A. Shahsavari, Astron. and Astrophys. 556, id. A8 (2013).

  24. К. В. Холшевников, В. Б. Титов, Задача двух тел (СПб.: изд. СПбГУ, 2007).

Дополнительные материалы отсутствуют.