Sztuczna inteligencja przewiduje przyszłość układów planetarnychCzas czytania: 3 min

Grupa naukowców z USA i Kanady, z astrofizykiem Danielem Tamayo z Uniwersytetu w Princeton na czele (w skład zespołu wchodzili także: M. Cranmer, S. Hadden, H. Rein, P. Battaglia, A. Obertas, P.J. Armitage, S. Ho, D.N. Spergel, Ch. Gilbertson, N. Hussain, A. Silburt, D. Jontof-Hutter, K. Menou), opierając się na obserwacjach i obliczeniach astronomicznych, podjęła próbę odpowiedzenia na pytanie, dlaczego tak rzadko dochodzi do kolizji międzyplanetarnych? W jaki sposób przebiega organizacja układów planetarnych – takich jak nasz Układ Słoneczny – lub systemów multiplanetarnych wokół innych gwiazd? W opublikowanym przez wspomnianą grupę badaczy artykule Predicting the Long-term Stability of Compact Multiplanet Systems [Przewidywanie długoterminowej stabilności kompaktowych systemów wieloplanetarnych]¹, na podstawie posiadanej wiedzy, poruszają między innymi wątek orbitowania planet. Warto jednak zadać sobie pytanie, ile konfiguracji pozostanie stabilnych bez zderzeń, przez miliardy lat cyklu życia gwiazdy? Mogłoby w tym pomóc wyeliminowanie z symulacji konfiguracji, które prowadziłyby do zderzeń, co pozostawiłoby bardziej przejrzysty obraz układów planetarnych wokół innych gwiazd, jednakże to bardziej złożony proces. W układzie Kepler-431, który posłużył za jeden z przykładów, znajdują się trzy planety, ale niewiele wiadomo o ich orbitach. Po lewej stronie powyższej grafiki, obrazującej omawiany układ, znajduje się duża liczba nałożonych na siebie orbit planet zgodnie z ich obserwacjami. Po prawej widzimy model komputerowy SPOCK autorstwa Daniela Tamayo po usunięciu niestabilnych konfiguracji – takich, w których zderzenie już nastąpiło. Zrobienie tego obrazu za pomocą dotychczas używanych metod zajęłoby komputerowi ponad rok kalkulacji. Model SPOCK wykonuje to w 14 minut. Żeby potwierdzić stabilność układu planetarnego, astronomowie muszą obliczyć ruchy wielu oddziałujących ze sobą planet na przestrzeni miliardów lat oraz sprawdzić każdą możliwą konfigurację pod kątem stabilności.

Już za czasów Newtona badano problem stabilności orbity i choć później przyczyniło się to do powstania wielu nowych koncepcji matematycznych, w tym rachunku różniczkowego i teorii chaosu, to jednak nikt nie znalazł sposobu na teoretyczne przewidywanie stabilnych konfiguracji planetarnych. Obecnie astronomowie dążą do udoskonalenia swoich obliczeń, ale już nie za pomocą klasycznych instrumentów astronomicznych, liczydeł czy suwaków logarytmicznych, ale dzięki superkomputerom. Tamayo zauważył, że łącząc uproszczone modele dynamicznych interakcji planet z metodami uczenia maszynowego, można ten proces znacznie przyspieszyć. Tą metodą astronomowie mogą łatwo wyeliminować ogromne obszary niestabilnych konfiguracji orbitalnych i zamiast spędzać tysiące godzin nad obliczeniami, są w stanie wykonać je w ciągu kilku minut. Większość układów multiplanetarnych ma wiele możliwych konfiguracji orbitalnych, ale na podstawie aktualnych danych można stwierdzić, że nie wszystkie są stabilne. Konfiguracje, które mogłyby zaistnieć na przestrzeni kilku milionów lat, zaczynają tworzyć plątaninę przecinających się orbit. Tamayo zauważył, że ostatecznie nie da się wybrać właściwego systemu, możemy jednak wykluczyć wszystkie niestabilne możliwości, które doprowadziłyby do zderzeń w układzie i uniemożliwiły jego istnienie. Aby uzyskać taki stan rzeczy, oblicza się 10 wskaźników podsumowujących, które wychwytują rezonansową zmienność systemu. Następnie należy wskazać właściwy algorytm, który na podstawie określonych wskaźników jest w stanie ustalić, czy konfiguracja pozostanie stabilna, jeśli pozwolimy jej na wielokrotne wędrówki po orbicie przy miliardzie powtórzeń. Model SPOCK (ang. Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier) [Klaser Stabilności Układów Planetarno-Orbitalnych] – został tak nazwany częściowo dlatego, że pokazuje, czy systemy będą w stanie długo się utrzymać, czy też nie. Określa  długoterminową stabilność konfiguracji planetarnych około 100 000 razy szybciej niż poprzednie metody. Utrzymuje się, że ta nowa metoda powinna zapewnić jeszcze jaśniejsze spojrzenie na orbitalną architekturę systemów planetarnych poza granicami naszej galaktyki.

Przemysław Maksymowicz

Źródło zdjęcia: Princeton University

Ostatnia aktualizacja strony: 12.08.2020