Por que os planetas não colidem com mais frequência? Como os sistemas planetarios - como nosso sistema solar ou sistemas multi-planetarios em torno de outras estrelas - se organizam? De todas as maneiras possa­veis pelas quais os planetas poderiam orbitar, quantas configurações permanecera£o esta¡veis ​​ao longo dos bilhaµes de anos do ciclo de vida de uma estrela?

Rejeitar a grande variedade de possibilidades insta¡veis ​​- todas as configurações que levariam a colisaµes - deixaria uma visão mais na­tida dos sistemas planetarios em torno de outras estrelas, mas não étão fa¡cil quanto parece.

"Separar o esta¡bulo das configurações insta¡veis ​​acaba sendo um problema fascinante e brutalmente difa­cil", disse Daniel Tamayo , pesquisador do Programa de Bolsas de Estudo Hubble da NASA, especialista  em ciências astrofa­sicas em Princeton. Para garantir que um sistema planetario seja esta¡vel, os astrônomos precisam calcular os movimentos de vários planetas interagindo ao longo de bilhaµes 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 contribua­do para muitas revoluções matemáticas, incluindo a teoria do ca¡lculo e do caos, ninguanãm encontrou uma maneira de prever configurações esta¡veis ​​teoricamente. Os astrônomos modernos ainda precisam “forçar” os ca¡lculos, 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 dina¢micas dos planetas com manãtodos de aprendizado de ma¡quina. Isso permite a eliminação rápida de grandes quantidades de configurações orbitais insta¡veis ​​- ca¡lculos que levariam dezenas de milhares de horas agora podem ser feitos em minutos. Ele éo 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, Emanãrito.

Para a maioria dos sistemas multi-planetarios, existem muitas configurações orbitais possa­veis, dados atuais dos dados observacionais, dos quais nem todos sera£o esta¡veis. Muitas configurações teoricamente possa­veis “rapidamente” - isto anã, em poucos milhões de anos - se desestabilizariam em um emaranhado de a³rbitas cruzadas. O objetivo era descartar as chamadas "instabilidades rápidas".

"Nãopodemos categoricamente dizer 'este sistema vai ficar bem, mas esse explodira¡ em breve'", disse Tamayo. "O objetivo, em vez disso, édescartar todas as possibilidades insta¡veis ​​que já teriam colidido e não existiriam atualmente."

Em vez de simular uma determinada configuração para um bilha£o de a³rbitas - a abordagem tradicional de força bruta, que levaria cerca de 10 horas - o modelo de Tamayo simula para 10.000 a³rbitas, o que leva apenas uma fração de segundo. A partir desse pequeno trecho, eles calculam 10 manãtricas de resumo que capturam a dina¢mica ressonante do sistema. Por fim, eles treinam um algoritmo de aprendizado de ma¡quina para prever, a partir desses 10 recursos, se a configuração permaneceria esta¡vel se permitisse que ela continuasse saindo para um bilha£o de a³rbitas.

"Chamamos o modelo de SPOCK - Estabilidade das configurações orbitais planeta¡rias de Klassifier - em parte porque o modelo determina se os sistemas 'vivera£o por muito tempo e prosperara£o'", disse Tamayo.

O SPOCK determina a estabilidade a longo prazo das configurações planeta¡rias 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 planeta¡ria, o SPOCK identifica de maneira confia¡vel instabilidades rápidas em sistemas compactos, que eles argumentam serem os mais importantes na tentativa de caracterizar restrições de estabilidade.

"Este novo manãtodo fornecera¡ uma janela mais clara para as arquiteturas orbitais dos sistemas planetarios além do nosso", disse Tamayo.

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

"Agora, sabe-se que mais de 700 estrelas tem 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 dina¢mica desses sistemas multi-planetarios, acelerando o tempo do computador necessa¡rio 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 éespecialmente útil para entender alguns dos sistemas planetarios fracos e distantes recentemente descobertos pelo telesca³pio Kepler, disse Jessie Christiansen, astrofa­sica do NASA Exoplanet Archive, que não participou da pesquisa. "a‰ difa­cil 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 permitira¡ descartar possa­veis composições e configurações de planeta que seriam dinamicamente insta¡veis ​​- e permite fazaª-lo com mais precisão e em uma escala substancialmente maior do que a dispona­vel 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.