Tecnologia Científica

A inteligência artificial prevê quais sistemas planetários sobreviverão
De todas as maneiras possíveis pelas quais os planetas poderiam orbitar, quantas configurações permanecerão estáveis ​​ao longo dos bilhões de anos do ciclo de vida de uma estrela?
Por Liz Fuller-Wright - 13/07/2020


Enquanto três planetas foram detectados no sistema Kepler-431, pouco se sabe sobre suas órbitas. À esquerda, há um grande número de órbitas sobrepostas para cada planeta que são consistentes com as observações. À direita, um modelo de computador (SPOCK) de Daniel Tamayo, de Princeton, removeu as configurações instáveis ​​que já teriam colidido. Fazer isso com métodos anteriores levaria mais de um ano de tempo no computador. Com o SPOCK, leva 14 minutos. 
Imagem de Daniel Tamayo

Por que os planetas não colidem com mais frequência? Como os sistemas planetários - como nosso sistema solar ou sistemas multi-planetários em torno de outras estrelas - se organizam? De todas as maneiras possíveis pelas quais os planetas poderiam orbitar, 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 uma visão mais nítida dos sistemas planetários em torno de outras estrelas, mas não é tão fácil quanto parece.

"Separar o estábulo das configurações instáveis ​​acaba sendo um problema fascinante e brutalmente difícil", disse Daniel Tamayo , pesquisador do Programa de Bolsas de Estudo Hubble da NASA, especialista  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 - uma tarefa computacionalmente proibitiva.

Os astrônomos desde Isaac Newton lutaram com o problema da estabilidade orbital, mas, embora a luta tenha contribuído para muitas revoluções matemáticas, incluindo a teoria do cálculo e do caos, ninguém encontrou uma maneira de prever configurações estáveis ​​teoricamente. Os astrônomos modernos ainda precisam “forçar” os cálculos, embora com supercomputadores em vez de regras de abaci ou de slides.

Tamayo percebeu que ele poderia acelerar o processo combinando modelos simplificados de interações dinâmicas dos planetas com métodos de aprendizado de máquina. Isso permite a eliminação rápida de grandes quantidades de configurações orbitais instáveis ​​- cálculos que levariam dezenas de milhares de horas agora podem ser feitos em minutos. Ele é o principal autor de um artigo que detalha a abordagem nos Anais da Academia Nacional de Ciências. Os co-autores incluem o aluno de pós-graduação Miles Cranmer e David Spergel , Charles A. Young, professor de Astronomia da Universidade de Princeton na Fundação Classe de 1897, Emérito.

Para a maioria dos sistemas multi-planetários, existem muitas configurações orbitais possíveis, dados atuais dos dados observacionais, dos quais nem todos serão estáveis. Muitas configurações teoricamente possíveis “rapidamente” - isto é, em poucos milhões de anos - se desestabilizariam em um emaranhado de órbitas cruzadas. O objetivo era descartar as chamadas "instabilidades rápidas".

"É difícil restringir suas propriedades com nossos instrumentos atuais", disse ela. “Eles são planetas rochosos, gigantes de gelo ou gigantes de gás? Ou algo novo? Essa nova ferramenta nos permitirá descartar possíveis composições e configurações de planeta que seriam dinamicamente instáveis ​​- e permite fazê-lo com mais precisão e em uma escala substancialmente maior do que a disponível anteriormente. ”


"Não podemos categoricamente dizer 'este sistema vai ficar bem, mas esse explodirá em breve'", disse Tamayo. "O objetivo, em vez disso, é descartar todas as possibilidades instáveis ​​que já teriam colidido e não existiriam atualmente."

Em vez de simular uma determinada configuração para um bilhão de órbitas - a abordagem tradicional de força bruta, 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 desse pequeno trecho, eles calculam 10 métricas de resumo que capturam a dinâmica ressonante do sistema. Por fim, eles treinam um algoritmo de aprendizado de máquina para prever, a partir desses 10 recursos, se a configuração permaneceria estável se permitisse que ela continuasse saindo para um bilhão de órbitas.

"Chamamos o modelo de SPOCK - Estabilidade das configurações orbitais planetárias de Klassifier - em parte porque o modelo determina se os sistemas 'viverão por muito tempo e prosperarão'", disse Tamayo.

O SPOCK determina a estabilidade a longo prazo das configurações planetárias cerca de 100.000 vezes mais rápido que a abordagem anterior, quebrando o gargalo computacional. Tamayo alertou que, embora ele e seus colegas não tenham "resolvido" o problema geral de estabilidade planetária, o SPOCK identifica de maneira confiável instabilidades rápidas em sistemas compactos, que eles argumentam serem os mais importantes na tentativa de caracterizar restrições de estabilidade.

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

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

Nos últimos 25 anos, os astrônomos encontraram mais de 4.000 planetas orbitando outras estrelas, dos quais quase metade estão em sistemas multi-planetários. Mas como pequenos exoplanetas são extremamente difíceis de detectar, ainda temos uma imagem incompleta de suas configurações orbitais.

"Agora, sabe-se que mais de 700 estrelas têm dois ou mais planetas orbitando em torno deles", disse o professor Michael Strauss , presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. “ Dan e seus colegas descobriram uma maneira fundamentalmente nova de explorar a dinâmica desses sistemas multi-planetários, acelerando o tempo do computador necessário para criar modelos por fatores de 100.000. Com isso, podemos esperar entender em detalhes toda a gama de arquiteturas de sistemas solares que a natureza permite. ”

O SPOCK é especialmente útil para entender alguns dos sistemas planetários fracos e distantes recentemente descobertos pelo telescópio Kepler, disse Jessie Christiansen, astrofísica do NASA Exoplanet Archive, que não participou da pesquisa. "É difícil restringir suas propriedades com nossos instrumentos atuais", disse ela. “Eles são planetas rochosos, gigantes de gelo ou gigantes de gás? Ou algo novo? Essa nova ferramenta nos permitirá descartar possíveis composições e configurações de planeta que seriam dinamicamente instáveis ​​- e permite fazê-lo com mais precisão e em uma escala substancialmente maior do que a disponível anteriormente. ”

“Prevendo a estabilidade a longo prazo de sistemas multiplanais compactos” por Daniel Tamayo, Miles Cranmer, Samuel Hadden, Hanno Rein, Peter Battaglia, Alysa Obertas, Philip J. Armitage, Shirley Ho, David Spergel, Christian Gilbertson, Naireen Hussain, Ari Silburt, Daniel Jontof-Hutter e Kristen Menou, aparece na edição atual dos Anais da Academia Nacional de Ciências (DOI: 10.1073 / pnas.2001258117 ) . A pesquisa de Tamayo foi apoiada pela NASA Hubble Fellowship (concessão HST-HF2-51423.001-A), concedida pelo Instituto de Ciências do Telescópio Espacial.

 

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