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人工智能可以预测哪些行星系统将存活下来

为什么行星碰撞的频率不高?像我们的太阳系或其他恒星周围的多行星系统是如何组织起来的?在行星运行的所有可能方式中,有多少种结构能在一颗恒星数十亿年的生命周期中保持稳定?

排除大范围的不稳定可能性——所有可能导致碰撞的构型——将会留下对其他恒星周围的行星系的更清晰的观察,但这并不像听起来那么容易。

“将稳定的结构与不稳定的结构分离出来,原来是一个迷人而又极其困难的问题,”丹尼尔·塔马约(Daniel Tamayo)说,他是美国宇航局哈伯奖学金项目萨根(Sagan)的普林斯顿天体物理科学研究员。为了确保一个行星系统是稳定的,天文学家需要计算出数十亿年来多个相互作用的行星的运动,并检查每种可能的结构的稳定性——这是一项无法用计算机计算的任务。

Tamayo意识到,他可以通过将简化的行星动态交互模型与机器学习方法相结合来加速这一过程。这样就可以快速消除大量不稳定的轨道结构——原本需要数万小时的计算现在只需几分钟就能完成。他是《美国国家科学院院刊》上一篇详细阐述该方法的论文的第一作者。共同作者包括研究生迈尔斯·克兰默(Miles Cranmer)和大卫·斯珀格尔(David Spergel)。斯珀格尔是普林斯顿大学1897届天文学教授查尔斯·a·杨(Charles A. Young),退休。

对于大多数多行星系统来说,根据目前的观测数据,有许多轨道配置是可能的,但并非所有的都是稳定的。许多理论上可能的构型会“很快”——也就是说,在几百万年之内——变得不稳定,形成一团混乱的交叉轨道。其目的是排除所谓的“快速不稳定”。

“我们不能肯定地说,‘这个系统没问题,但那个系统很快就会爆炸,’”Tamayo说。“我们的目标是,对于一个给定的系统来说,排除所有不稳定的可能性,这些不稳定的可能性已经发生了碰撞,在今天不可能存在。”

tamayo的模型模拟了1万次轨道,只需要不到一秒的时间,而不是模拟10亿次轨道的给定结构——传统的强力方法需要大约10小时。从这个简短的片段中,他们计算出了捕获系统共振动力学的10个概要指标。最后,他们训练了一个机器学习算法,通过这10个特征来预测如果他们让它继续运行到10亿次轨道,它的结构是否会保持稳定。

“我们称这个模型为spock -行星轨道配置的稳定性Klassifier——部分原因是这个模型决定了系统是否会‘长寿和繁荣’,”Tamayo说。

斯波克确定行星结构的长期稳定性比之前的方法快10万倍,打破了计算瓶颈。Tamayo警告说,虽然他和他的同事们还没有“解决”行星稳定性的普遍问题,但SPOCK确实可靠地识别出了紧凑系统中的快速不稳定性,他们认为这是在尝试进行稳定性约束表征时最重要的。

Tamayo说:“这种新方法将为我们提供一扇更清晰的窗户,让我们得以了解我们以外的行星系统的轨道结构。”

但是有多少行星系呢?我们的太阳系不是唯一的吗?

在过去的25年里,天文学家已经发现了4000多颗围绕其他恒星运行的行星,其中近一半属于多行星系统。但由于小型系外行星的探测极具挑战性,我们对它们的轨道结构仍有不完整的了解。

普林斯顿大学天体物理科学系教授迈克尔·施特劳斯说:“目前已知有700多颗恒星周围有两颗或更多的行星。”丹和他的同事们已经找到了一种全新的方法来探索这些多行星系统的动力学,将计算机制作模型所需的时间提高了10万倍。有了这个,我们就有希望详细了解大自然允许的所有太阳系建筑。”

美国宇航局系外行星档案馆的天体物理学家杰西·克里斯汀森(Jessie Christiansen)说,斯波克尤其有助于弄清开普勒望远镜最近发现的一些暗淡遥远的行星系统。“用我们现有的工具很难限制它们的属性,”她说。“它们是岩石行星、冰巨行星还是气体巨行星?”还是全新的?这个新工具将允许我们排除潜在的不稳定的动态行星组成和结构,它使我们可以做得更精确,在实质上比以前更大的规模。”

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