Efecto Yarkovsky: órbita y rotación de los asteroides

La energía solar y los asteroides

¿Qué es el efecto Yarkovsky?

La energía solar influye de manera significativa en los asteroides a través de dos efectos térmicos próximos: el efecto Yarkovsky, que modifica su órbita, y el efecto YORP, que actúa sobre su rotación. El efecto Yarkovsky es una fuerza no gravitatoria debida a la absorción de la luz solar y a su posterior reemisión en forma de calor por parte de un asteroide.

No es la luz absorbida o reflejada la que produce el efecto duradero, sino la radiación térmica reemitida. El efecto supone, por tanto, una superficie dotada de una inercia térmica no nula, es decir, capaz de almacenar calor antes de restituirlo.

Un empuje minúsculo pero acumulativo

La fuerza es irrisoria: como máximo unos 0,1 N para un asteroide cercano a la Tierra de 500 m, es decir, una aceleración del orden de 10^-12 m/s². Sin embargo, se suma en cada revolución y puede desplazar a un asteroide así varias decenas de kilómetros en una década.

Mecanismo del empuje térmico

Cuando un asteroide está expuesto al Sol, su superficie absorbe energía solar. Como el suelo tarda un cierto tiempo en calentarse, la región más caliente es la de la «tarde» y no la que está de cara al Sol. Al girar sobre sí mismo, el asteroide emite, pues, su radiación infrarroja de forma asimétrica, lo que ejerce un débil empuje de retroceso. Este empuje modifica muy lentamente la órbita del asteroide.

Componentes diurna y estacional

Se suman dos componentes. La componente diurna, ligada a la rotación del asteroide, depende del coseno de la inclinación de su eje (oblicuidad): un asteroide con rotación directa (prógrada) se aleja lentamente del Sol, y uno con rotación retrógrada se acerca a él. La componente estacional, ligada a la revolución alrededor del Sol, tiende en cambio siempre a acercar el asteroide, pero en general es más débil. Una oblicuidad próxima a 90° atenúa fuertemente el efecto diurno.

Influencia del tamaño y de la composición

El efecto depende del tamaño, de la forma, de la rotación y de la composición del asteroide. La deriva del semieje mayor varía aproximadamente como la inversa del radio: cuanto más pequeño es el cuerpo, más rápido deriva. El efecto afecta a los cuerpos de menos de 30 a 40 km de diámetro y se vuelve despreciable más allá. Es máximo para una inercia térmica intermedia; una superficie de inercia muy baja o muy alta (regolito fino o roca desnuda, por ejemplo) lo reduce.

Para asteroides de unos cientos de metros a unos pocos kilómetros, provoca cambios de órbita medibles en pocas décadas y desplazamientos considerables a lo largo de millones de años. Puede acercarlos o alejarlos del Sol, modificando su trayectoria y su estabilidad orbital. Para fragmentos de tamaño muy pequeño, el calor se reparte por todo el volumen del cuerpo y el efecto acaba anulándose.

Historia de una idea olvidada: de Yarkovsky a YORP

Un opúsculo de 1901

El efecto lleva el nombre de Iván Osipovich Yarkovsky, ingeniero civil ruso de una familia de origen polaco. En un opúsculo publicado por cuenta propia en 1901, observa que el calentamiento de un planeta en rotación directa debe producir una aceleración transversal en su movimiento. Pensaba así compensar el supuesto rozamiento del éter, una hipótesis entonces en boga. Este contexto era erróneo y Yarkovsky solo pudo estimar muy toscamente la magnitud del efecto, pero su idea quedó lanzada.

Öpik, Radzievskii, Paddack y O'Keefe

Fue sobre todo Ernst Öpik quien dio a conocer estos trabajos en la literatura occidental, en 1951, cuando el opúsculo original se había perdido. En la misma época, Vladimir Radzievskii y sus colaboradores publicaban en Rusia ideas afines. Radzievskii fue el primero en contemplar el efecto de un empuje luminoso sobre la rotación de un cuerpo, pero suponiendo variaciones de albedo en su superficie. Stephen Paddack y John O'Keefe comprendieron después que son la forma irregular y la radiación térmica las que modifican con mayor eficacia la rotación. Nació así el efecto YORP (Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack), poco más de medio siglo después de Yarkovsky.

El renacimiento de los años noventa

En la segunda mitad de los años noventa, David Rubincam y Paolo Farinella, que estudiaban las perturbaciones térmicas del movimiento de satélites artificiales como LAGEOS, establecieron el vínculo con los cuerpos pequeños del sistema solar. Siguió una floración de trabajos sobre la dinámica de los asteroides pequeños y de los meteoroides. El astrónomo aficionado neerlandés George Beekman halló además en los archivos rusos el opúsculo de Yarkovsky que se creía perdido (Beekman, 2006).

Medir el efecto Yarkovsky: de Golevka a Bennu

Una deriva que hay que detectar durante décadas

Detectar el efecto supone predecir la posición de un asteroide con una precisión mejor que la deriva esperada. Para un asteroide cercano a la Tierra de medio kilómetro, se necesitan al menos tres campañas de mediciones por radar espaciadas a lo largo de unos diez años, o varias décadas de observaciones ópticas. La observación no da directamente la variación del semieje mayor: revela un desfase de la posición a lo largo de la órbita, que crece como el cuadrado del tiempo transcurrido.

Golevka, primera detección directa (2003)

El asteroide (6489) Golevka, de unos 0,5 km, proporcionó la primera detección inequívoca. Mediciones de distancia por radar en Arecibo, durante sus aproximaciones de 1991, 1995 y 2003, revelaron una aceleración no gravitatoria conforme a las predicciones publicadas en 2000, con una desviación de una quincena de kilómetros respecto a una trayectoria puramente gravitatoria. La medición permitió también estimar la densidad de Golevka, de unos 2,7 g/cm³ (Chesley et al., 2003).

Pesar un asteroide gracias a su deriva

La deriva depende de la masa, del tamaño, de la rotación y de las propiedades térmicas de la superficie. Midiéndola, se puede por tanto remontar a la densidad de un asteroide, siempre que se conozcan los demás parámetros. Esto es lo que se hizo con Bennu antes de la llegada de la sonda OSIRIS-REx: a partir de una deriva de 284 ± 1,5 m/año, se estimó la densidad en 1260 ± 70 kg/m³, es decir, una macroporosidad de alrededor del 40 %, signo de un conjunto de escombros (rubble pile) (Chesley et al., 2014).

Bennu, la medición más precisa

El seguimiento de la sonda OSIRIS-REx alrededor de Bennu, de enero de 2019 a octubre de 2020, permitió medir la distancia Tierra-Bennu con una precisión de unos pocos metros. La deriva Yarkovsky obtenida es de −284,6 ± 0,2 m/año, con una relación señal-ruido de alrededor de 1400 (Farnocchia et al., 2021). El signo negativo indica que Bennu se acerca lentamente al Sol, lo que corresponde a una rotación retrógrada. El efecto es comparable al peso de unas pocas uvas, pero basta para modificar sensiblemente la órbita en unos siglos.

Un exceso de asteroides con rotación retrógrada

De las 36 detecciones válidas registradas en 2014, 28 presentan una deriva negativa, es decir, alrededor del 78 % de asteroides con rotación retrógrada. Este desequilibrio se explica por el transporte de los asteroides del cinturón principal hacia el espacio próximo a la Tierra: la resonancia secular ν₆, en el borde interno del cinturón, solo la alcanzan los asteroides cuyo semieje mayor disminuye, y por tanto con rotación retrógrada, mientras que la resonancia 3:1 con Júpiter puede alcanzarse en ambos sentidos.

Detecciones a todas las escalas

La lista de detecciones abarca una amplia gama de tamaños. En la síntesis de 2015, el objeto más pequeño era 2009 BD, de unos 4 m, mientras que (2100) Ra-Shalom y (4179) Toutatis, de 2 a 3 km, figuraban entre los más grandes.

El efecto Yarkovsky en Apophis

Una fuerza débil pero constante

El efecto Yarkovsky ejerce una fuerza muy débil pero constante sobre el asteroide Apophis, de unos 340 m de diámetro (± 50 m). Gracias a las observaciones de 2004 a 2021, la deriva de su semieje mayor se mide hoy en −199 ± 1 m/año (Farnocchia et al., 2024). Esta fuerza no gravitatoria, aunque invisible a corto plazo, provoca desplazamientos orbitales considerables con el tiempo.

Consecuencias sobre la trayectoria de Apophis

Una deriva de 199 m/año representa unos 200 km por milenio en el semieje mayor, un desfase que se acumula a lo largo de la órbita. Tras el descubrimiento de Apophis en 2004, se consideró posible un impacto en 2029 (1 posibilidad entre 37, es decir, el 2,7 %), antes de descartarse. El efecto Yarkovsky siguió siendo después una fuente de incertidumbre importante para modelar su trayectoria, porque el sobrevuelo de 2029 amplifica cualquier error, lo que dejaba abierta la posibilidad de impactos posteriores, en particular en 2036 y en 2068.

Precisión de las predicciones de impacto

Las observaciones ópticas de finales de 2020 y las nuevas mediciones de radar de marzo de 2021 (Goldstone y Green Bank) redujeron la incertidumbre sobre la posición de Apophis en 2029 de varios cientos a unos pocos kilómetros. Se descartó así todo riesgo de impacto durante al menos un siglo, y Apophis fue retirado de las listas de riesgo, entre ellas la de la ESA, el 29 de marzo de 2021. Su trayectoria es ahora totalmente determinista para el próximo siglo.

El sobrevuelo del 13 de abril de 2029

El viernes 13 de abril de 2029, Apophis rozará la Tierra a unos 38 000 km del centro del planeta, es decir, a unos 31 600 km de altitud, por debajo de la órbita de los satélites geoestacionarios. Será visible a simple vista desde gran parte de Europa y África. Este encuentro es un experimento natural: la atracción terrestre puede modificar la rotación de Apophis y, por consiguiente, su efecto Yarkovsky.

La sonda estadounidense OSIRIS-APEX, que llegará aproximadamente un mes después del sobrevuelo, debe medir este posible cambio, con una sensibilidad del orden del 4 % en la configuración actual de la misión. La misión europea Ramses, cuyo lanzamiento está previsto entre el 20 de abril y el 15 de mayo de 2028, alcanzará el asteroide antes del sobrevuelo y lo acompañará hasta agosto de 2029.

N. B.:
Las fechas de las misiones Ramses y OSIRIS-APEX son las anunciadas en la primavera de 2026 y pueden cambiar.

Yarkovsky y defensa planetaria: de Bennu a 2024 YR4

Bennu y el cálculo del riesgo de impacto

Para unos pocos asteroides de órbita extremadamente bien conocida, el efecto Yarkovsky es un ingrediente esencial del cálculo de riesgo. Para Bennu, la medición realizada con OSIRIS-REx mejoró en un factor 20 el conocimiento de las circunstancias del paso cercano de 2135, que debe perturbar fuertemente su órbita. La probabilidad de impacto acumulada hasta 2300 alcanza 5,7×10^-4 (1 posibilidad entre 1750), y el escenario más probable corresponde a septiembre de 2182, con 1 posibilidad entre 2700 (Farnocchia et al., 2021).

2024 YR4: cuando el efecto Yarkovsky se vuelve despreciable

El asteroide 2024 YR4, de unos 60 m, descubierto a finales de 2024, había sido asociado a una probabilidad de impacto del 4,3 % con la Luna el 22 de diciembre de 2032. Las observaciones del telescopio espacial James Webb del 18 y 26 de febrero de 2026 ampliaron el arco de observación en ocho meses. Sitúan el paso a 22 900 ± 800 km del centro de la Luna, lo que excluye cualquier impacto lunar. También se descarta todo impacto con la Tierra durante los próximos 100 años (de Wit et al., 2026).

Para un objeto tan pequeño, el efecto Yarkovsky habría podido complicar la predicción. Sin embargo, los datos no muestran ninguna señal de deriva, y la dispersión esperada solo aumenta la incertidumbre sobre la posición de 2032 en un 5 % aproximadamente, un efecto despreciable.

Por qué los asteroides pequeños plantean un nuevo desafío

Los futuros grandes sondeos multiplicarán los descubrimientos de asteroides de unas pocas decenas de metros. Estos objetos, más numerosos, se vuelven rápidamente demasiado débiles para los telescopios terrestres. Su órbita permanece entonces incierta durante más tiempo, y el efecto Yarkovsky, más intenso en los cuerpos pequeños, deberá tenerse muy en cuenta en la evaluación de su riesgo.

¿Por qué la irradiación solar modifica la rotación de un asteroide?

El efecto YORP, extensión del efecto Yarkovsky

El efecto YORP (Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack) es el equivalente del efecto Yarkovsky para la rotación: la irradiación solar y la reemisión térmica modifican la rotación y la orientación del eje de un asteroide. Su primera detección directa data de 2007, en (54509) 2000 PH5, rebautizado (54509) YORP, cuya rotación se aceleraba a razón de 2,0×10^-4 grados por día al cuadrado (Lowry et al., 2007). Este asteroide, de un centenar de metros, gira sobre sí mismo en una docena de minutos.

Asimetría térmica y par de fuerzas

Las irregularidades en la forma del asteroide (cráteres, protuberancias, etc.) provocan una asimetría en la reemisión del calor. Para un cuerpo de forma muy regular, como un elipsoide de revolución, el efecto se anula. En caso contrario, esta asimetría crea un par de fuerzas que acelera o frena la rotación del asteroide y hace evolucionar la inclinación de su eje hacia valores extremos.

Sensibilidad de los asteroides pequeños

El efecto YORP varía como la inversa del cuadrado del radio: aumenta muy rápido al disminuir el tamaño. Los asteroides pequeños son, por tanto, mucho más sensibles, hasta el punto de que su eje de rotación puede volcarse o su rotación acelerarse hasta la fisión. Este efecto desempeña un papel clave en la evolución a largo plazo de los asteroides cercanos a la Tierra (NEA). En los casos detectados hasta 2014, todos los asteroides afectados aceleraban su rotación.

Otros efectos ligados a la energía solar

Sublimación de los materiales volátiles

Algunos asteroides que contienen hielos o materiales volátiles pueden liberar gases por efecto del calor solar. Esta sublimación puede crear chorros que modifican su trayectoria o su rotación, según un mecanismo próximo al de los cometas. El fenómeno sigue siendo raro y solo afecta a una pequeña minoría de cuerpos.

Alteración térmica

Los ciclos de calentamiento y enfriamiento debidos a la irradiación solar provocan fracturas térmicas en las rocas de la superficie. El equipo de Marco Delbo (Observatorio de la Costa Azul) demostró en 2014 que esta fatiga térmica rompe las rocas de más de unos pocos centímetros más rápido que los impactos de micrometeoroides. Es, por tanto, el principal proceso de producción del regolito de los asteroides pequeños (Delbo et al., 2014).

Implicaciones astrofísicas

Modificación de las poblaciones de asteroides

El efecto Yarkovsky desplaza lentamente los asteroides hacia resonancias gravitatorias, en particular la resonancia secular ν₆ y la resonancia 3:1 con Júpiter. Desde allí, pueden ser expulsados o inyectados en órbitas que cruzan las de los planetas telúricos, convirtiéndose así en asteroides cercanos a la Tierra.

Dispersión y datación de las familias de asteroides

Las familias de asteroides nacen de colisiones. Después, el efecto Yarkovsky reparte a sus miembros a ambos lados de la posición inicial, y los cuerpos pequeños derivan más lejos. La forma de esta dispersión permite datar las familias: la de Koronis, por ejemplo, tendría del orden de 2,5 a 3 mil millones de años.

Asteroides binarios y pares de asteroides

El efecto YORP favorece la fisión de los asteroides en rotación rápida, lo que contribuye a la formación de asteroides binarios y de pares de asteroides. En un sistema binario, una variante llamada BYORP modifica después la órbita mutua de los dos cuerpos.

El origen de los meteoritos

Öpik pensaba que el efecto Yarkovsky llevaba directamente los meteoritos del cinturón principal a la Tierra, pero este transporte es demasiado lento. El modelo actual combina los dos mecanismos: el efecto Yarkovsky empuja los fragmentos hacia las resonancias, que los envían después a órbitas que cruzan la de la Tierra.

Riesgos de impacto con la Tierra

Estos efectos son esenciales para predecir la trayectoria de los asteroides cercanos a la Tierra. Ignorar estas fuerzas puede provocar errores en los modelos de predicción y falsear la evaluación de los riesgos de impacto, como han mostrado los casos de Bennu y Apophis.

Órdenes de magnitud de los efectos

Efecto Yarkovsky

La fuerza es como máximo del orden de 0,1 N para un asteroide de 500 m, es decir, una aceleración de unos 10^-12 m/s². Se traduce en una deriva del semieje mayor de unas pocas decenas a unos cientos de metros por año para un asteroide cercano a la Tierra de unos cientos de metros: −284,6 m/año para Bennu (unos 490 m) y −199 m/año para Apophis (unos 340 m). En un millón de años, una deriva así representa varios cientos de miles de kilómetros.

N. B.:
Las publicaciones suelen expresar la deriva en 10^-4 ua/Ma. Esta unidad equivale a unos 15 m/año.

Efecto YORP

Los cambios del período de rotación se cuentan en milisegundos por año: de 1,25 ms/año para (54509) YORP a 45 ms/año para Itokawa. Esto corresponde a variaciones de la velocidad de rotación de unos 10^-10 rad/s por año (Itokawa) a 10^-8 rad/s por año ((54509) YORP), pero estas variaciones se acumulan en efectos significativos a lo largo de millones de años.

Lo que hay que recordar

Papel principal de la energía solar

La energía solar desempeña un papel principal en la evolución dinámica de los asteroides. Los efectos Yarkovsky y YORP influyen en sus trayectorias, su rotación e incluso su estructura. Medidos directamente desde 2003, hoy están integrados en los cálculos de órbita de los asteroides mejor observados.

Importancia para la evolución y los riesgos

Estos mecanismos son cruciales para comprender la evolución de los asteroides en el sistema solar, el origen de los asteroides cercanos a la Tierra y de los meteoritos, y para evaluar los riesgos de impacto sobre la Tierra. El sobrevuelo de Apophis en 2029, observado por las sondas Ramses y OSIRIS-APEX, ofrecerá una prueba única para afinar estos modelos.