Por que os planetas não colidem com mais frequência? Como os sistemas planetários - como nosso sistema solar ou sistemas multiplanetários em torno de outras estrelas - se organizam? De todas as maneiras possíveis de os planetas orbitarem, quantas configurações permanecerão estáveis ​​ao longo dos bilhões de anos do ciclo de vida de uma estrela?

Rejeitar a grande variedade de possibilidades instáveis ​​- todas as configurações que levariam a colisões - deixaria para trás uma visão mais nítida dos sistemas planetários em torno de outras estrelas, mas não é tão fácil quanto parece.

"Separar as configurações estáveis ​​das instáveis ​​acaba sendo um problema fascinante e brutalmente difícil, "disse Daniel Tamayo, a NASA Hubble Fellowship Program Sagan Fellow em ciências astrofísicas em Princeton. Para garantir que um sistema planetário seja estável, os astrônomos precisam calcular os movimentos de vários planetas interagindo ao longo de bilhões de anos e verificar a estabilidade de cada configuração possível - um empreendimento computacionalmente proibitivo.

Astrônomos desde Isaac Newton têm lutado com o problema da estabilidade orbital, mas embora a luta tenha contribuído para muitas revoluções matemáticas, incluindo cálculo e teoria do caos, ninguém encontrou uma maneira de prever teoricamente configurações estáveis. Os astrônomos modernos ainda precisam "usar a força bruta" nos cálculos, embora com supercomputadores em vez de ábacos ou réguas de cálculo.

Tamayo percebeu que poderia acelerar o processo combinando modelos simplificados de interações dinâmicas dos planetas com métodos de aprendizado de máquina. Isso permite a eliminação de grandes faixas de configurações orbitais instáveis ​​rapidamente - cálculos que levariam dezenas de milhares de horas agora podem ser feitos em minutos. Ele é o autor principal de um artigo que detalha a abordagem no Proceedings of the National Academy of Sciences . Os co-autores incluem o estudante de graduação Miles Cranmer e David Spergel, Charles A. Young Professor de Astronomia de Princeton na Classe de 1897 Foundation, Emérito.

Para a maioria dos sistemas multiplanetários, existem muitas configurações orbitais que são possíveis dados os dados observacionais atuais, dos quais nem todos serão estáveis. Muitas configurações que são teoricamente possíveis seriam "rapidamente" - isto é, em não muitos milhões de anos - desestabilize-se em um emaranhado de órbitas cruzadas. O objetivo era descartar as chamadas "instabilidades rápidas".

“Não podemos dizer categoricamente 'Este sistema ficará OK, mas aquele vai explodir em breve, '"Tamayo disse." O objetivo é, para um determinado sistema, para descartar todas as possibilidades instáveis ​​que já teriam colidido e não poderiam existir nos dias de hoje. "

Em vez de simular uma determinada configuração para um bilhão de órbitas - a abordagem tradicional de força bruta, o que levaria cerca de 10 horas - o modelo de Tamayo simula para 10, 000 órbitas, o que leva apenas uma fração de segundo. A partir deste pequeno trecho, eles calculam 10 métricas resumidas que capturam a dinâmica ressonante do sistema. Finalmente, eles treinam um algoritmo de aprendizado de máquina para prever, a partir desses 10 recursos, se a configuração permaneceria estável se eles permitissem que continuasse a atingir um bilhão de órbitas.

"Chamamos o modelo de SPOCK - Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier - em parte porque o modelo determina se os sistemas irão viver por muito tempo e prosperar, '"Tamayo disse.

SPOCK determina a estabilidade de longo prazo das configurações planetárias de cerca de 100, 000 vezes mais rápido do que a abordagem anterior, quebrando o gargalo computacional. Tamayo advertiu que embora ele e seus colegas não tenham "resolvido" o problema geral da estabilidade planetária, O SPOCK identifica de forma confiável instabilidades rápidas em sistemas compactos, que eles argumentam que são os mais importantes na tentativa de fazer caracterização de restrição de estabilidade.

"Este novo método fornecerá uma janela mais clara para as arquiteturas orbitais de sistemas planetários além do nosso, "Tamayo disse.

Mas quantos sistemas planetários existem? Nosso sistema solar não é o único?

Nos últimos 25 anos, astrônomos descobriram mais de 4, 000 planetas orbitando outras estrelas, dos quais quase metade estão em sistemas multiplanetários. Mas, uma vez que pequenos exoplanetas são extremamente difíceis de detectar, ainda temos uma imagem incompleta de suas configurações orbitais.

"Mais de 700 estrelas são agora conhecidas por terem dois ou mais planetas orbitando ao seu redor, "disse o professor Michael Strauss, cadeira do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. "Dan e seus colegas descobriram uma maneira fundamentalmente nova de explorar a dinâmica desses sistemas multiplanetários, acelerando o tempo do computador necessário para fazer modelos por fatores de 100, 000. Com isso, podemos esperar compreender em detalhes toda a gama de arquiteturas do sistema solar que a natureza permite. "

SPOCK é especialmente útil para dar sentido a alguns desmaios, sistemas planetários distantes recentemente avistados pelo telescópio Kepler, disse Jessie Christiansen, um astrofísico do Arquivo de Exoplanetas da NASA que não esteve envolvido nesta pesquisa. "É difícil restringir suas propriedades com nossos instrumentos atuais, "ela disse." Eles são planetas rochosos, gigantes de gelo, ou gigantes gasosos? Ou algo novo? Essa nova ferramenta nos permitirá descartar possíveis composições e configurações de planetas que seriam dinamicamente instáveis ​​- e nos permite fazer isso com mais precisão e em uma escala substancialmente maior do que estava disponível anteriormente. "