La stabilità orbitale è da sempre un fenomeno che interessa le ricerche degli astronomi. Nonostante sia altamente improbabile che un pianeta entri in collisione con un altro e venga espulso dal sistema solare, gli scienziati continuano a cercare evidenze scientifiche sull’esistenza della sua stabilità anche nel futuro.
Gli astronomi, a partire da Isaac Newton, hanno lottato con il problema della stabilità orbitale, ma mentre la lotta ha contribuito a molte rivoluzioni matematiche, tra cui il calcolo e la teoria del caos, nessuno ha trovato un modo per prevedere teoricamente configurazioni stabili.
Daniel Tamayo, Sagan Fellow della NASA, Hubble Fellowship Program in scienze astrofisiche a Princeton, si rese conto di poter accelerare il processo combinando modelli semplificati delle interazioni dinamiche dei pianeti con metodi di apprendimento automatico. Ciò consente l’eliminazione rapida di enormi andane di configurazioni orbitali instabili: i calcoli che avrebbero richiesto decine di migliaia di ore ora possono essere eseguiti in pochi minuti. Tamayo è l’autore principale di un documento che illustra in dettaglio l’approccio negli Atti della National Academy of Sciences. Tra i co-autori troviamo dottorando Miles Cranmer, David Spergel, e Charles A. Young.
Per la maggior parte dei sistemi multi-planetari, diverse configurazioni orbitali evidenziano la possibilità che non tutti saranno stabili. Molte configurazioni teoricamente possibili, attraverso qualche milione di anni, si destabilizzerebbero in un groviglio di orbite incrociate. L’obiettivo è quello di escludere quelle cosiddette “instabilità veloci“.
“Non possiamo dire categoricamente: “Questo sistema andrà bene, ma quello colliderà presto“, ha detto Tamayo, “L’obiettivo invece è, per un dato sistema, 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 di riepilogo che catturano le dinamiche risonanti del sistema. Infine, attraverso l’intelligenza artificiale, viene addestrato un algoritmo di apprendimento automatico per prevedere da queste 10 funzionalità se la configurazione rimarrà stabile se lasciato andare avanti per un miliardo di orbite.
“Lo abbiamo chiamato modello SPOCK (Stabilità delle configurazioni orbitali planetarie Klassifier) in parte perché il modello determina se i sistemi vivranno a lungo e prospereranno“, ha spiegato Tamayo.
SPOCK determina la stabilità a lungo termine delle configurazioni planetarie circa 100.000 volte più veloce dell’approccio precedente, rompendo 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 instabilità veloci in sistemi compatti, che sostengono siano i più importanti nel tentativo di caratterizzare la stabilità: “Questo nuovo metodo fornirà una finestra più chiara sulle architetture orbitali dei sistemi planetari oltre la nostra“, ha detto lo scienziato.
Negli ultimi 25 anni, gli astronomi hanno trovato più di 4.000 pianeti in orbita attorno ad altre stelle, di cui quasi la metà si trovano in sistemi multi-pianeta. Ma poiché i piccoli esopianeti sono estremamente difficili da rilevare, abbiamo ancora un quadro incompleto delle loro configurazioni orbitali.
“Più di 700 stelle sono ora conosciute per avere due o più pianeti che orbitano 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 di esplorare le dinamiche di questi sistemi multi-pianeta, accelerando il tempo necessario al computer per creare modelli con fattori di 100.000. Con questo, possiamo sperare di comprendere in dettaglio l’intera gamma di architetture del sistema solare che la natura prevede“.
SPOCK è particolarmente utile per dare un senso ad alcuni dei sistemi planetari deboli e lontani recentemente individuati dal telescopio Kepler, ha spiegato Jessie Christiansen, astrofisica dell’archivio Exoplanet della NASA che non è stata coinvolta in questa ricerca: “È difficile limitare le loro proprietà con i nostri strumenti attuali. Sono pianeti rocciosi, giganti del 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 consente di farlo in modo più preciso e sostanzialmente più grande scala di quanto precedentemente disponibile“.
