Благодаря применению машинного обучения удалось существенно уменьшить время и объемы вычислений, необходимых для оценки устойчивости различных конфигураций планет.
Почему планеты нечасто сталкиваются? Как возникают и стабилизируются планетные системы? Какие конфигурации этих систем отличаются наибольшей стабильностью? Поиск ответов на эти вопросы предоставит астрофизикам ценные знания о нашей Вселенной и поможет понять её дальнейшую эволюцию.
Изучение стабильных и нестабильных состояний планетных систем представляет собой захватывающую, однако чрезвычайно трудную задачу. Для подтверждения устойчивости системы исследователи вынуждены моделировать движение нескольких взаимодействующих планет на протяжении миллиардов лет, оценивая прочность каждой потенциальной конфигурации. Необходимый для этого объем вычислений практически невообразим.
Проблема поиска решений для этой задачи занимала ученых с эпохи Исаака Ньютона, однако универсального метода точного прогнозирования устойчивых конфигураций орбит в планетных системах до сих пор не существует. Исследователи из США, возглавляемые Даниэлем Тамайо из Принстонского университета, разработали способ существенно повысить скорость таких расчетов, применяя упрощенные модели динамического взаимодействия небесных тел и методы машинного обучения.
Предложенный метод позволяет исключать из вычислений большое количество заведомо неработоспособных конфигураций. Благодаря этому, расчеты, которые раньше требовали десятки тысяч часов, теперь можно выполнить за несколько минут на достаточно производительной технике. Статья об этом выложена на портале ArXiv.org в виде препринта.
Для большинства планетных систем дестабилизация и переход к хаотическому движению орбит происходит относительно быстро — в пределах от миллионов до десятков миллионов лет. Авторы исследования стремились максимально отсеять подобные конфигурации. «Мы не можем с уверенностью сказать, какая система окажется стабильной, а какая рухнет, — говорит Тамайо. — Вместо этого наша цель заключалась в том, чтобы исключить все нестабильные и вероятные комбинации, которые уже распались и не могут существовать на данный момент».
Разработанная исследователями модель генерирует не миллиард различных орбит, а всего около 10 тысяч планетных траекторий. На основе этого набора рассчитываются десять ключевых параметров, характеризующих резонансную динамику системы. После этого алгоритм машинного обучения, используя эти параметры, позволяет спрогнозировать, сохранит ли конфигурация свою устойчивость при увеличении числа орбит. «Мы назвали модель СПОК (стабильность планетарных орбитальных конфигураций)», — отмечает Тамайо. — Частично потому, что она определяет, смогут ли планетарные системы существовать длительное время и развиваться.)».
Несмотря на то, что новый алгоритм не устраняет проблему устойчивости планетных орбит полностью, он позволяет надёжно выявлять нестабильные сочетания в плотных системах и значительно ускоряет вычисления, в десятки тысяч раз превосходя предыдущие методы. Как утверждают авторы исследования, новый подход позволит получить более точное представление об организации планетных систем, расположенных за пределами нашей Солнечной системы.
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