Искусственный интеллект предскажет шансы планетных систем на «выживание»

Почему планеты относительно редко сталкиваются друг с другом? Как формируются и стабилизируются планетные системы? Какие из возможных конфигураций этих систем наиболее стабильны? Ответы на эти вопросы позволят астрофизикам узнать много нового о нашей Вселенной и понять, как она будет развиваться в дальнейшем.

Определение стабильных и нестабильных конфигураций планетных систем — увлекательная, но предельно сложная проблема. Чтобы убедиться, что система стабильна, ученые должны рассчитать движения нескольких взаимодействующих планет в течение миллиардов лет и проверять устойчивость каждой из возможных конфигураций. Объем вычислений, необходимых для решения такой задачи, нереально представить.

Ученые боролись с этой проблемой еще со времен Исаака Ньютона, но до сих пор так и не нашли способа достоверно предсказывать стабильные конфигурации орбит в планетных системах. Американские ученые под руководством Даниэля Тамайо из Принстонского университета нашли способ значительно ускорить такие вычисления благодаря использованию упрощенных моделей динамического взаимодействия небесных тел и методов машинного обучения.

Новый подход позволяет пропускать вычисления на большом количестве заведомо нестабильных конфигураций. Теперь расчеты, ранее занимавшие десятки тысяч часов, можно провести за считаные минуты на достаточно мощной технике. Статья об этом выложена на портале ArXiv.org в виде препринта.

Большинство конфигураций планет достаточно быстро — в течение миллионов или десятков миллионов лет — дестабилизируются, превращаясь в хаотичное переплетение орбит. Задача авторов работы состояла как раз в том, чтобы исключить как можно больше подобных конфигураций. «Мы не можем категорически утверждать: “Эта система будет в порядке, а эту скоро разнесет”, — объясняет Тамайо. — Цель вместо этого <…> исключить все нестабильные вероятные комбинации, которые уже развалились и не могут существовать в данный момент».

Модель, разработанная учеными, вместо миллиарда различных орбит генерирует лишь порядка 10 тысяч планетных траекторий. Из этого набора вычисляют десять сводных показателей, отражающих резонансную динамику системы. Затем алгоритм машинного обучения на основе этих показателей учат предсказывать, останется ли конфигурация стабильной при масштабировании на большее количество орбит. «Мы назвали модель СПОК (стабильность планетарных орбитальных конфигураций) — говорит Тамайо. — Отчасти потому, что она определяет, будут ли системы “жить долго и процветать” (эта фраза ученого — отсылка к Споку, персонажу сериала “Звездный путь”. — Прим. ред.)».

Хотя новый алгоритм не решает проблему стабильности планетных орбит в целом, он надежно идентифицирует нестабильные комбинации в компактных системах и дает возможность проводить вычисления в десятки тысяч раз быстрее, чем раньше. «Новый метод обеспечит более четкое представление об орбитальной архитектуре планетных систем за пределами нашей Солнечной системы», — пишут авторы работы.

Ранее мы писали о том, что астрономы нашли новые доводы против существования гипотетической «девятой планеты», а крупнейший в мире радиотелескоп впервые зарегистрировал внегалактическое излучение нейтрального водорода