science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Kunstmatige intelligentie voorspelt welke planetenstelsels zullen overleven

Hoewel er drie planeten zijn gedetecteerd in het Kepler-431-systeem, er is weinig bekend over de vorm van hun banen. Aan de linkerkant is een groot aantal gesuperponeerde banen voor elke planeet die consistent zijn met waarnemingen. Een internationaal team van astrofysici onder leiding van Daniel Tamayo van Princeton verwijderde alle onstabiele configuraties die al zouden zijn gebotst en vandaag niet konden worden waargenomen. Als u dit met eerdere methoden zou doen, zou dat meer dan een jaar computertijd kosten. Met hun nieuwe model SPOCK, het duurt 14 minuten. Krediet:Daniel Tamayo

Waarom botsen planeten niet vaker? Hoe organiseren planetaire systemen - zoals ons zonnestelsel of multiplaneetsystemen rond andere sterren - zichzelf? Van alle mogelijke manieren waarop planeten kunnen draaien, hoeveel configuraties zullen stabiel blijven gedurende de miljarden jaren van de levenscyclus van een ster?

Het verwerpen van het grote scala aan onstabiele mogelijkheden - alle configuraties die tot botsingen zouden leiden - zou een scherper beeld van planetenstelsels rond andere sterren achterlaten, maar het is niet zo eenvoudig als het klinkt.

"Het scheiden van de stal van de onstabiele configuraties blijkt een fascinerend en brutaal moeilijk probleem te zijn, " zei Daniël Tamayo, een NASA Hubble Fellowship Program Sagan Fellow in astrofysische wetenschappen in Princeton. Om ervoor te zorgen dat een planetair systeem stabiel is, astronomen moeten de bewegingen van meerdere op elkaar inwerkende planeten over miljarden jaren berekenen en elke mogelijke configuratie controleren op stabiliteit - een rekenkundig onbetaalbare onderneming.

Astronomen hebben sinds Isaac Newton geworsteld met het probleem van orbitale stabiliteit, maar hoewel de strijd heeft bijgedragen aan vele wiskundige revoluties, inclusief calculus en chaostheorie, niemand heeft een manier gevonden om theoretisch stabiele configuraties te voorspellen. Moderne astronomen moeten de berekeningen nog steeds "brute-forcen", zij het met supercomputers in plaats van abaci of rekenlinialen.

Tamayo realiseerde zich dat hij het proces kon versnellen door vereenvoudigde modellen van de dynamische interacties van planeten te combineren met machinale leermethoden. Hierdoor kunnen enorme delen van onstabiele orbitale configuraties snel worden geëlimineerd - berekeningen die tienduizenden uren zouden hebben gekost, kunnen nu in minuten worden gedaan. Hij is de hoofdauteur van een paper waarin de aanpak in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Co-auteurs zijn onder meer afgestudeerde student Miles Cranmer en David Spergel, Princeton's Charles A. Young Professor of Astronomy on the Class of 1897 Foundation, Emeritus.

Voor de meeste multi-planet systemen, er zijn veel orbitale configuraties die mogelijk zijn gezien de huidige waarnemingsgegevens, waarvan niet alle stabiel zullen zijn. Veel configuraties die theoretisch mogelijk zijn, zouden "snel" - dat wil zeggen, in niet al te veel miljoenen jaren destabiliseren tot een wirwar van elkaar kruisende banen. Het doel was om die zogenaamde 'snelle instabiliteiten' uit te sluiten.

"We kunnen niet categorisch zeggen:'Dit systeem zal in orde zijn, maar die zal snel ontploffen, '" zei Tamayo. "Het doel is in plaats daarvan, voor een bepaald systeem, om alle onstabiele mogelijkheden uit te sluiten die al zouden zijn gebotst en op dit moment niet kunnen bestaan."

In plaats van een gegeven configuratie te simuleren voor een miljard banen - de traditionele brute-force-benadering, wat ongeveer 10 uur zou duren - Tamayo's model simuleert in plaats daarvan 10, 000 banen, wat maar een fractie van een seconde duurt. Uit dit korte fragment, ze berekenen 10 samenvattende statistieken die de resonantiedynamiek van het systeem vastleggen. Eindelijk, ze trainen een machine learning-algoritme om op basis van deze 10 functies te voorspellen of de configuratie stabiel zou blijven als ze het naar een miljard banen zouden laten gaan.

"We noemden het model SPOCK - Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier - deels omdat het model bepaalt of systemen 'lang zullen leven en bloeien', ' zei Tamaya.

SPOCK bepaalt de stabiliteit op lange termijn van planetaire configuraties ongeveer 100, 000 keer sneller dan de vorige aanpak, het doorbreken van de computationele bottleneck. Tamayo waarschuwde dat hoewel hij en zijn collega's het algemene probleem van planetaire stabiliteit niet hebben "opgelost", SPOCK identificeert op betrouwbare wijze snelle instabiliteiten in compacte systemen, die volgens hen het belangrijkst zijn bij het proberen karakterisering van stabiliteitsbeperkingen uit te voeren.

"Deze nieuwe methode zal een duidelijker beeld geven van de orbitale architecturen van planetaire systemen buiten de onze, ' zei Tamaya.

Maar hoeveel planetenstelsels zijn er? Is ons zonnestelsel niet het enige?

In de afgelopen 25 jaar, astronomen hebben meer dan 4 gevonden, 000 planeten die om andere sterren draaien, waarvan bijna de helft in systemen met meerdere planeten. Maar aangezien kleine exoplaneten extreem moeilijk te detecteren zijn, we hebben nog steeds een onvolledig beeld van hun orbitale configuraties.

"Van meer dan 700 sterren is nu bekend dat ze twee of meer planeten om zich heen draaien, " zei professor Michael Strauss, voorzitter van de afdeling Astrofysische Wetenschappen van Princeton. "Dan en zijn collega's hebben een fundamenteel nieuwe manier gevonden om de dynamiek van deze multiplaneetsystemen te onderzoeken, het versnellen van de computertijd die nodig is om modellen te maken met een factor 100, 000. Hiermee we kunnen hopen in detail het volledige scala aan zonnestelselarchitecturen te begrijpen dat de natuur mogelijk maakt."

SPOCK is vooral handig om sommige van de zwakkeren te begrijpen, verre planetenstelsels die onlangs door de Kepler-telescoop zijn waargenomen, zei Jessie Christiansen, een astrofysicus bij het NASA Exoplanet Archive die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Het is moeilijk om hun eigenschappen te beperken met onze huidige instrumenten, "zei ze. "Zijn het rotsachtige planeten, ijs reuzen, of gasreuzen? Of iets nieuws? Met dit nieuwe hulpmiddel kunnen we mogelijke planeetsamenstellingen en configuraties uitsluiten die dynamisch onstabiel zouden zijn - en het stelt ons in staat dit nauwkeuriger en op een aanzienlijk grotere schaal te doen dan voorheen beschikbaar was."