Inteligencia artificial para predecir qué sistemas planetarios sobrevivirán
¿Por qué los planetas no chocan más a menudo? ¿Cómo se organizan los sistemas planetarios, como nuestro sistema solar o los sistemas multiplanetarios alrededor de otras estrellas? De todas las posibles formas en que los planetas podrían orbitar, ¿cuántas configuraciones permanecerán estables a lo largo de los miles de millones de años del ciclo de vida de una estrella?
Aunque se han detectado tres planetas en el sistema Kepler-431, se sabe poco sobre las formas de sus órbitas. A la izquierda hay un gran número de órbitas superpuestas para cada planeta que son consistentes con las observaciones. Un equipo internacional de astrofísicos dirigido por Daniel Tamayo de Princeton eliminó todas las configuraciones inestables que ya habrían colisionado y no podrían ser observadas hoy en día. Hacer esto con los métodos anteriores llevaría más de un año de tiempo de computación. Con su nuevo modelo SPOCK, toma 14 minutos. / Daniel Tamayo
Rechazar el gran rango de posibilidades inestables — todas las configuraciones que llevarían a colisiones — dejaría atrás una visión más concreta de los sistemas planetarios alrededor de otras estrellas, pero no es tan fácil como parece.
“Separar las configuraciones estables de las inestables resulta ser un problema fascinante y brutalmente duro”, dijo Daniel Tamayo, de Princeton. Para asegurarse de que un sistema planetario es estable, los astrónomos necesitan calcular los movimientos de múltiples planetas que interactúan a lo largo de miles de millones de años y comprobar la estabilidad de cada posible configuración, una tarea computacionalmente prohibitiva.
Los astrónomos, desde Isaac Newton, han luchado contra el problema de la estabilidad orbital, pero si bien dicha pelea contribuyó a la realización de muchas revoluciones matemáticas, incluyendo el cálculo y la teoría del caos, nadie ha encontrado una manera de predecir configuraciones estables de forma teórica. Los astrónomos modernos todavía tienen que “aplicar fuerza bruta” en los cálculos, aunque con supercomputadoras en vez de con ábacos o reglas de cálculo.
Tamayo se dio cuenta de que podía acelerar el proceso combinando modelos simplificados de las interacciones dinámicas de los planetas con métodos de aprendizaje automático. Esto permite eliminar rápidamente enormes franjas de configuraciones orbitales inestables: cálculos que habrían llevado decenas de miles de horas ahora pueden hacerse en minutos. Tamayo es el autor principal de un artículo que detalla el método en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Entre los co-autores están el estudiante graduado Miles Cranmer y David Spergel.
Para la mayoría de los sistemas multiplanetarios, hay muchas configuraciones orbitales que son posibles en función de los datos de observación actuales, entre las cuales no todas serán estables. Muchas configuraciones que son teóricamente posibles se desestabilizarían “rápidamente” – es decir, en no muchos millones de años – en una maraña de órbitas cruzadas. El objetivo era descartar esas llamadas “inestabilidades rápidas”.
“No podemos decir categóricamente ‘Este sistema estará bien, pero ese explotará pronto'”, dijo Tamayo. “El objetivo es, en cambio, para un sistema dado, descartar todas las posibilidades inestables que ya habrían colisionado y no podrían existir en la actualidad”.
En lugar de simular una configuración dada para mil millones de órbitas – el enfoque tradicional de fuerza bruta, que llevaría unas 10 horas – el modelo de Tamayo simula en cambio 10.000 órbitas, lo que solo lleva una fracción de segundo. A partir de este corto fragmento, calculan 10 métricas de resumen que capturan la dinámica resonante del sistema. Finalmente, entrenan un algoritmo de aprendizaje automático para predecir, a partir de estas 10 características, si la configuración se mantendría estable si la dejan continuar hasta mil millones de órbitas.
“Llamamos al modelo SPOCK (Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier) en parte porque el modelo determina si los sistemas ‘vivirán mucho tiempo y prosperarán'”, dijo Tamayo.
SPOCK determina la estabilidad a largo plazo de las configuraciones planetarias unas 100.000 veces más rápido que el método anterior, rompiendo el cuello de botella computacional. Tamayo advirtió que mientras él y sus colegas no han “resuelto” el problema general de la estabilidad planetaria, SPOCK identifica de forma fiable inestabilidades rápidas en sistemas compactos, que argumentan son las más importantes para tratar de hacer una caracterización de estabilidad restringida.
“Este nuevo método proporcionará una ventana más clara a las arquitecturas orbitales de los sistemas planetarios más allá del nuestro,” dijo Tamayo.
¿Pero cuántos sistemas planetarios hay? ¿No es nuestro sistema solar el único? En los últimos 25 años, los astrónomos han encontrado más de 4.000 planetas orbitando otras estrellas, de los cuales casi la mitad están en sistemas multiplanetarios. Pero como los pequeños exoplanetas son extremadamente difíciles de detectar, todavía tenemos una imagen incompleta de sus configuraciones orbitales.
“Se sabe que más de 700 estrellas tienen ahora dos o más planetas orbitando a su alrededor”, dijo el profesor Michael Strauss, presidente del Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton. “Dan y sus colegas han encontrado una forma fundamentalmente nueva de explorar la dinámica de estos sistemas multiplanetarios, acelerando el tiempo de computación necesario para hacer modelos. Con esto, podemos esperar entender en detalle toda la gama de arquitecturas de sistemas solares que la naturaleza permite”.
SPOCK es especialmente útil para dar sentido a algunos de los débiles y lejanos sistemas planetarios recientemente descubiertos por el telescopio Kepler, según Jessie Christiansen, un astrofísico del Archivo de Exoplanetas de la NASA que no estuvo involucrado en esta investigación. “Es difícil limitar sus propiedades con nuestros instrumentos actuales”, dijo. “¿Son planetas rocosos, gigantes de hielo o gigantes gaseosos? ¿O algo nuevo? Esta nueva herramienta nos permitirá descartar posibles composiciones y configuraciones de planetas que serían dinámicamente inestables, y nos permite hacerlo con mayor precisión y a una escala sustancialmente mayor que la que estaba disponible anteriormente”.
