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人工智能预测哪些行星系统将生存

2020-07-14 10:39:27

为什么行星不经常发生碰撞?行星系统(例如我们的太阳系或围绕其他恒星的多行星系统)如何自我组织?在所有可能的行星运转方式中，有多少种构型在恒星生命周期的数十亿年中保持稳定?

拒绝大范围的不稳定可能性(所有可能导致碰撞的构型)都会使其他恒星周围的行星系统更加清晰，但听起来并不容易。

美国宇航局哈勃研究金计划萨根研究员丹尼尔·塔马约(Daniel Tamayo)说：“将稳定器与不稳定的结构分离开来是一个引人入胜的残酷难题。” 为了确保行星系统稳定，天文学家需要计算数十亿年间多个相互作用的行星的运动，并检查每种可能的构型的稳定性，这在计算上是一项艰巨的任务。

自从艾萨克·牛顿(Isaac Newton)以来的天文学家就一直在解决轨道稳定性问题，但是尽管这场斗争促成了许多数学革命，包括微积分和混沌理论，但没有人找到从理论上预测稳定构型的方法。尽管使用超级计算机而不是算术或滑动规则，现代天文学家仍然必须“蛮力”进行计算。

Tamayo意识到他可以通过将行星动力相互作用的简化模型与机器学习方法相结合来加快这一过程。这样可以快速消除大范围的不稳定轨道配置，而现在只需几分钟就可以完成数万小时的计算。他是一篇详细介绍《美国国家科学院院刊》方法的论文的主要作者。合著者包括研究生Miles Cranmer和David Spergel，普林斯顿大学的Charles A. Young天文学教授，1897年级荣誉基金会。

对于大多数多行星系统，给定当前的观测数据，可能存在许多轨道配置，但并非所有轨道配置都是稳定的。从理论上讲，许多可能的构型会“迅速”(即在不超过数百万年的时间内)不稳定，变成一团交叉的轨道。目的是排除那些所谓的“快速不稳定”。

Tamayo说：“我们不能断然地说'这个系统可以，但是很快就会崩溃。' “相反，目标是，对于给定的系统，排除所有可能已经碰撞并且目前尚不存在的不稳定可能性。”

Tamayo的模型没有模拟十亿个轨道的给定配置(传统的蛮力方法大约需要10个小时)，而是模拟了10,000个轨道，仅需一秒钟的时间。从这个简短的摘录中，他们计算出10个摘要指标，以捕获系统的共振动态。最后，他们训练了一种机器学习算法，从这10个特征中预测出如果让它们继续前进到十亿个轨道，该配置是否将保持稳定。

Tamayo说：“我们将模型称为SPOCK模型-行星轨道配置的稳定器-部分原因在于该模型确定系统是否将'长寿和繁荣'。”

SPOCK确定行星结构的长期稳定性比以前的方法快约100,000倍，从而打破了计算瓶颈。Tamayo警告说，尽管他和他的同事们尚未“解决”行星稳定性的一般问题，但SPOCK确实能够可靠地识别出紧凑系统中的快速不稳定性，他们认为这对于试图进行稳定性受限的表征至关重要。

塔马约说：“这种新方法将为我们以外的行星系统的轨道结构提供更清晰的窗口。”

但是那里有多少个行星系统?我们的太阳系不是唯一的吗?

在过去的25年中，天文学家发现了4000多个围绕其他恒星运行的行星，其中近一半位于多行星系统中。但是由于小型系外行星很难探测，因此我们对其轨道结构的了解仍然不完整。

普林斯顿大学天体物理科学系主任迈克尔·斯特劳斯教授说：“现在已知有700多颗恒星围绕它们运行着两个或多个行星。” “ Dan和他的同事们发现了一种探索这些多行星系统动力学的根本新方法，从而使建立模型所需的计算机时间缩短了100,000倍。因此，我们希望能够详细了解大自然所允许的太阳系架构。”

NASA系外行星档案馆的天体物理学家杰西·克里斯蒂安森说，SPOCK有助于理解开普勒望远镜最近发现的一些微弱，遥远的行星系统。她说：“用我们现有的仪器很难限制它们的性能。” “它们是岩石行星，冰巨人还是天然气巨人?还是新事物?这个新工具将使我们能够排除可能不稳定的潜在行星组成和构造，并且使我们能够更精确，更大范围地进行工作。规模比以前可用。”

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