Эффект Пойнтинга — Робертсона

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Эффе́кт По́йнтинга — Ро́бертсона — это процесс, благодаря которому в Солнечной системе пылевые частицы медленно падают по спирали в сторону Солнца. Эффект был впервые описан в 1903 году известным британским физиком Джоном Генри Пойнтингом, который объяснил его в рамках эфирной теории электромагнетизма. Правильное объяснение эффекта с точки зрения общей теории относительности дал Говард Перси Робертсон в 1937.

Излучение Солнца и тепловое излучение пылинки (a) в системе отсчёта, связанной с пылинкой; (b) в системе отсчёта Солнечной системы.

Пусть для простоты пылинка движется по круговой орбите вокруг Солнца.

(а) В системе отсчёта, связанной с пылинкой, в результате аберрации света солнечное излучение слегка наклонено против движения частицы. Если пылинка достаточно мала, можно считать, что её температура постоянна по всей поверхности, поэтому тепловое излучение можно считать изотропным.
(b) В системе отсчёта, связанной с Солнцем, тепловое излучение пылинки анизотропно из-за аберрации и эффекта Доплера.

Стоит заметить, что по принципу эквивалентности само по себе тепловое излучение частицы не может изменить её скорость, импульс изменяется пропорционально массе, то есть, энергии частицы. А при поглощении солнечного излучения энергия (то есть, масса) частицы увеличивается при неизменной тангенциальной составляющей импульса. Поэтому скорость частицы уменьшается.

Таким образом, пылинка постепенно теряет момент импульса и постепенно падает на Солнце. Сила Пойнтинга — Робертсона равна:

F_{PR} = \frac{Wv}{c^2}

где W — мощность излучения, v — скорость частицы, c — скорость света. Для круглой частицы

F_{PR} = \frac{r^2}{4 c^2}\sqrt{\frac{G M_s L_s^2}{R^5}}

где r — радиус частицы, G — гравитационная постоянная, Ms — масса Солнца, Ls — светимость Солнца, R — расстояние до частицы.

Поскольку сила пропорциональна квадрату радиуса, а масса частицы — кубу, ускорение, вызванное эффектом Пойнтинга — Робертсона, больше для более мелких частиц. Так как гравитационная сила пропорциональна R−2, а сила Пойнтинга — Робертсона пропорциональна R−2,5, на меньших расстояниях эффект сильнее. Из-за этого происходит уменьшение эксцентриситета орбиты частицы.

Пылевые частицы размером в несколько микрометров падают с расстояния 1 астрономическая единица за несколько тысяч лет, после чего испаряются, не долетев до Солнца.

Стоит заметить, что одновременно на пылинку действует световое давление, которое отталкивает её от Солнца. Если частица достаточно мала (меньше приблизительно 0,5 мкм для каменных частиц), то световое давление преобладает, и частица выносится из Солнечной системы.

Ссылки[править | править исходный текст]

  • Poynting, J. H. (November 1903). «Radiation in the solar system: its Effect on Temperature and its Pressure on Small Bodies». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society) 64 (Appendix): 1–5. Bibcode:1903MNRAS..64A...1P. (Abstract of Philosophical Transactions paper)
  • Robertson, H. P. (April 1937). «Dynamical effects of radiation in the solar system». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Royal Astronomical Society) 97: 423–438. Bibcode:1937MNRAS..97..423R.