Kunstig intelligens forudsiger, hvilke planetsystemer der vil overleve

Hvorfor kolliderer planeter ikke oftere? Hvordan organiserer planetsystemer – som vores solsystem eller multiplanetsystemer omkring andre stjerner – sig selv? Af alle de mulige måder planeter kunne kredse på, hvor mange konfigurationer vil forblive stabile over de milliarder af år af en stjernes livscyklus?

At afvise det store udvalg af ustabile muligheder - alle de konfigurationer, der ville føre til kollisioner - ville efterlade et skarpere syn på planetsystemer omkring andre stjerner, men det er ikke så nemt, som det lyder.

"At adskille stalden fra de ustabile konfigurationer viser sig at være et fascinerende og brutalt hårdt problem, " sagde Daniel Tamayo, en NASA Hubble Fellowship Program Sagan Fellow i astrofysiske videnskaber ved Princeton. For at sikre, at et planetsystem er stabilt, astronomer er nødt til at beregne bevægelserne af flere interagerende planeter over milliarder af år og kontrollere enhver mulig konfiguration for stabilitet - et beregningsmæssigt uoverkommeligt foretagende.

Astronomer siden Isaac Newton har kæmpet med problemet med orbital stabilitet, men mens kampen bidrog til mange matematiske revolutioner, inklusive kalkulation og kaosteori, ingen har fundet en måde at forudsige stabile konfigurationer teoretisk. Moderne astronomer skal stadig "brute force" beregningerne, dog med supercomputere i stedet for abaci eller slide-regler.

Tamayo indså, at han kunne accelerere processen ved at kombinere forenklede modeller af planeters dynamiske interaktioner med maskinlæringsmetoder. Dette gør det muligt hurtigt at eliminere enorme skår af ustabile orbitale konfigurationer - beregninger, der ville have taget titusindvis af timer, kan nu udføres på få minutter. Han er hovedforfatter på et papir, der beskriver tilgangen i Proceedings of the National Academy of Sciences . Medforfattere inkluderer kandidatstuderende Miles Cranmer og David Spergel, Princetons Charles A. Young Professor of Astronomy on the Class of 1897 Foundation, Emeritus.

For de fleste multiplanetsystemer, der er mange orbitale konfigurationer, der er mulige givet aktuelle observationsdata, hvoraf ikke alle vil være stabile. Mange konfigurationer, der er teoretisk mulige, ville "hurtigt" - dvs. om ikke alt for mange millioner år – destabiliseres til et virvar af krydsende baner. Målet var at udelukke de såkaldte "hurtige ustabiliteter."

"Vi kan ikke kategorisk sige 'Dette system vil være i orden' men den vil snart sprænge i luften, '" sagde Tamayo. "Målet er i stedet, for et givet system, at udelukke alle de ustabile muligheder, der allerede ville have kollideret og ikke kunne eksistere i dag."

I stedet for at simulere en given konfiguration for en milliard kredsløb - den traditionelle brute-force tilgang, hvilket ville tage omkring 10 timer—Tamayos model simulerer i stedet for 10, 000 kredsløb, som kun tager en brøkdel af et sekund. Fra dette korte uddrag, de beregner 10 opsummerende metrikker, der fanger systemets resonansdynamik. Endelig, de træner en maskinlæringsalgoritme til at forudsige ud fra disse 10 funktioner, om konfigurationen ville forblive stabil, hvis de lod den blive ved med at gå ud til en milliard kredsløb.

"Vi kaldte modellen SPOCK—Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier — dels fordi modellen bestemmer, om systemer vil 'leve længe og blomstre', " sagde Tamayo.

SPOCK bestemmer langtidsstabiliteten af ​​planetariske konfigurationer omkring 100, 000 gange hurtigere end den tidligere tilgang, bryde den beregningsmæssige flaskehals. Tamayo advarede om, at selvom han og hans kolleger ikke har "løst" det generelle problem med planetarisk stabilitet, SPOCK identificerer pålideligt hurtige ustabiliteter i kompakte systemer, som de hævder er de vigtigste i forsøget på at udføre stabilitetsbegrænset karakterisering.

"Denne nye metode vil give et klarere vindue ind i planetsystemers orbitale arkitekturer ud over vores egen, " sagde Tamayo.

Men hvor mange planetsystemer er der? Er vores solsystem ikke det eneste?

I de sidste 25 år, astronomer har fundet mere end 4, 000 planeter, der kredser om andre stjerner, hvoraf næsten halvdelen er i multiplanetsystemer. Men da små exoplaneter er ekstremt udfordrende at opdage, vi har stadig et ufuldstændigt billede af deres orbitale konfigurationer.

"Mere end 700 stjerner er nu kendt for at have to eller flere planeter, der kredser omkring dem, " sagde professor Michael Strauss, formand for Princetons Institut for Astrofysiske Videnskaber. "Dan og hans kolleger har fundet en fundamentalt ny måde at udforske dynamikken i disse multiplanetsystemer, fremskynde den nødvendige computertid til at lave modeller med faktorer på 100, 000. Hermed vi kan håbe på i detaljer at forstå hele rækken af ​​solsystemarkitekturer, som naturen tillader."

SPOCK er især nyttig til at give mening om nogle af de svage, fjerne planetsystemer for nylig set af Kepler-teleskopet, sagde Jessie Christiansen, en astrofysiker med NASA Exoplanet Archive, som ikke var involveret i denne forskning. "Det er svært at begrænse deres egenskaber med vores nuværende instrumenter, " sagde hun. "Er det klippeplaneter, isgiganter, eller gasgiganter? Eller noget nyt? Dette nye værktøj vil give os mulighed for at udelukke potentielle planetsammensætninger og konfigurationer, der ville være dynamisk ustabile - og det lader os gøre det mere præcist og i en væsentlig større skala, end der tidligere var tilgængelig."