Perché i pianeti non si scontrano più spesso? Come si organizzano i sistemi planetari, come il nostro sistema solare o i sistemi multi-pianeti attorno ad altre stelle? Di tutti i possibili modi in cui i pianeti potrebbero orbitare, quante configurazioni rimarranno stabili nei miliardi di anni del ciclo di vita di una stella?

Rifiutare l'ampia gamma di possibilità instabili - tutte le configurazioni che porterebbero a collisioni - lascerebbe una visione più nitida dei sistemi planetari intorno ad altre stelle, ma non è così facile come sembra.

"Separare le configurazioni stabili dalle configurazioni instabili risulta essere un problema affascinante e brutalmente difficile, " ha detto Daniel Tamayo, un programma della NASA Hubble Fellowship Sagan Fellow in scienze astrofisiche a Princeton. Per assicurarsi che un sistema planetario sia stabile, gli astronomi devono calcolare i movimenti di più pianeti interagenti per miliardi di anni e controllare ogni possibile configurazione per verificarne la stabilità, un'impresa computazionalmente proibitiva.

Gli astronomi da Isaac Newton hanno lottato con il problema della stabilità orbitale, ma mentre la lotta ha contribuito a molte rivoluzioni matematiche, compreso il calcolo e la teoria del caos, nessuno ha trovato un modo per prevedere teoricamente configurazioni stabili. Gli astronomi moderni devono ancora "forzare" i calcoli, anche se con supercomputer invece di abaci o regoli calcolatori.

Tamayo si è reso conto che poteva accelerare il processo combinando modelli semplificati delle interazioni dinamiche dei pianeti con metodi di apprendimento automatico. Ciò consente di eliminare rapidamente enormi fasce di configurazioni orbitali instabili:i calcoli che avrebbero richiesto decine di migliaia di ore possono ora essere eseguiti in pochi minuti. È l'autore principale di un documento che descrive in dettaglio l'approccio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . I coautori includono lo studente laureato Miles Cranmer e David Spergel, Charles A. Young Professor di Astronomia di Princeton sulla Fondazione Class of 1897, Emerito.

Per la maggior parte dei sistemi multi-pianeti, ci sono molte configurazioni orbitali che sono possibili dati i dati osservativi attuali, di cui non tutti saranno stabili. Molte configurazioni teoricamente possibili sarebbero "rapidamente", cioè, in non troppi milioni di anni, destabilizzarsi in un groviglio di orbite incrociate. L'obiettivo era quello di escludere quelle cosiddette "instabilità veloci".

"Non possiamo dire categoricamente 'Questo sistema andrà bene, ma quello esploderà presto, '", ha detto Tamayo. "L'obiettivo invece è, per un dato sistema, per escludere tutte le possibilità instabili che si sarebbero già scontrate e non potrebbero esistere al giorno d'oggi."

Invece di simulare una data configurazione per un miliardo di orbite, il tradizionale approccio a forza bruta, che richiederebbe circa 10 ore:il modello di Tamayo simula invece per 10, 000 orbite, che richiede solo una frazione di secondo. Da questo breve frammento, calcolano 10 metriche riassuntive che catturano le dinamiche di risonanza del sistema. Finalmente, addestrano un algoritmo di apprendimento automatico per prevedere da queste 10 funzionalità se la configurazione rimarrebbe stabile se lasciassero che continuasse a raggiungere un miliardo di orbite.

"Abbiamo chiamato il modello SPOCK—Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier —in parte perché il modello determina se i sistemi 'vivranno a lungo e prospereranno, '", ha detto Tamayo.

SPOCK determina la stabilità a lungo termine delle configurazioni planetarie circa 100, 000 volte più veloce dell'approccio precedente, rompere il collo di bottiglia computazionale. Tamayo ha avvertito che mentre lui e i suoi colleghi non hanno "risolto" il problema generale della stabilità planetaria, SPOCK identifica in modo affidabile le instabilità veloci nei sistemi compatti, che sostengono sono i più importanti nel tentativo di eseguire una caratterizzazione vincolata alla stabilità.

"Questo nuovo metodo fornirà una finestra più chiara sulle architetture orbitali dei sistemi planetari oltre il nostro, "Ha detto Tamayo.

Ma quanti sistemi planetari esistono? Il nostro sistema solare non è l'unico?

Negli ultimi 25 anni, gli astronomi hanno trovato più di 4, 000 pianeti in orbita attorno ad altre stelle, di cui quasi la metà in sistemi multiplanetari. Ma poiché i piccoli esopianeti sono estremamente difficili da rilevare, abbiamo ancora un quadro incompleto delle loro configurazioni orbitali.

"Ora si sa che più di 700 stelle hanno due o più pianeti in orbita attorno a loro, " ha detto il professor Michael Strauss, presidente del Dipartimento di Scienze Astrofisiche di Princeton. "Dan e i suoi colleghi hanno trovato un modo fondamentalmente nuovo per esplorare le dinamiche di questi sistemi multi-pianeti, accelerare il tempo del computer necessario per realizzare modelli di fattori di 100, 000. Con questo, possiamo sperare di comprendere in dettaglio l'intera gamma di architetture del sistema solare che la natura consente".

SPOCK è particolarmente utile per dare un senso ad alcuni dei deboli, sistemi planetari lontanissimi recentemente individuati dal telescopio Kepler, disse Jessie Christiansen, un astrofisico dell'Exoplanet Archive della NASA che non era coinvolto in questa ricerca. "È difficile limitare le loro proprietà con i nostri strumenti attuali, " ha detto. "Sono pianeti rocciosi, giganti di ghiaccio, o giganti gassosi? O qualcosa di nuovo? Questo nuovo strumento ci consentirà di escludere potenziali composizioni e configurazioni di pianeti che sarebbero dinamicamente instabili e ci consentirà di farlo in modo più preciso e su una scala sostanzialmente più ampia rispetto a quanto precedentemente disponibile".