Varför kolliderar inte planeter oftare? Hur organiserar planetsystem – som vårt solsystem eller multiplanetsystem runt andra stjärnor – sig själva? Av alla möjliga sätt som planeter kunde kretsa kring, hur många konfigurationer kommer att förbli stabila under de miljarder år av en stjärnas livscykel?

Att förkasta det stora utbudet av instabila möjligheter – alla konfigurationer som skulle leda till kollisioner – skulle lämna bakom en skarpare bild av planetsystem runt andra stjärnor, men det är inte så lätt som det låter.

"Att skilja stallet från de instabila konfigurationerna visar sig vara ett fascinerande och brutalt svårt problem, sa Daniel Tamayo, en NASA Hubble Fellowship Program Sagan Fellow i astrofysiska vetenskaper vid Princeton. För att se till att ett planetsystem är stabilt, astronomer måste beräkna rörelserna för flera interagerande planeter under miljarder år och kontrollera varje möjlig konfiguration för stabilitet - ett beräkningsmässigt oöverkomligt åtagande.

Astronomer sedan Isaac Newton har brottats med problemet med orbital stabilitet, men medan kampen bidrog till många matematiska revolutioner, inklusive kalkyl och kaosteori, ingen har hittat ett sätt att förutsäga stabila konfigurationer teoretiskt. Moderna astronomer måste fortfarande "brute-force" beräkningarna, om än med superdatorer istället för abaci eller glidregler.

Tamayo insåg att han kunde påskynda processen genom att kombinera förenklade modeller av planeters dynamiska interaktioner med maskininlärningsmetoder. Detta gör det möjligt att snabbt eliminera enorma sträckor av instabila omloppskonfigurationer – beräkningar som skulle ha tagit tiotusentals timmar kan nu göras på minuter. Han är huvudförfattare på ett papper som beskriver tillvägagångssättet i Proceedings of the National Academy of Sciences . Medförfattare inkluderar doktoranden Miles Cranmer och David Spergel, Princetons Charles A. Young Professor of Astronomy on the Class of 1897 Foundation, Emeritus.

För de flesta flerplanetssystem, det finns många orbitalkonfigurationer som är möjliga med nuvarande observationsdata, av vilka inte alla kommer att vara stabila. Många konfigurationer som är teoretiskt möjliga skulle "snabbt" - dvs. på inte alltför många miljoner år – destabiliseras till en härva av korsande banor. Målet var att utesluta dessa så kallade "snabba instabiliteter".

"Vi kan inte kategoriskt säga" Det här systemet kommer att vara OK, men den kommer snart att sprängas, "" sa Tamayo. "Målet istället är, för ett givet system, för att utesluta alla instabila möjligheter som redan skulle ha kolliderat och inte kunde existera i dag."

Istället för att simulera en given konfiguration för en miljard omlopp – den traditionella brute-force-metoden, vilket skulle ta cirka 10 timmar—Tamayos modell simulerar istället för 10, 000 banor, som bara tar en bråkdel av en sekund. Från detta korta utdrag, de beräknar 10 sammanfattningsmått som fångar systemets resonansdynamik. Till sist, de tränar en maskininlärningsalgoritm för att utifrån dessa 10 funktioner förutsäga om konfigurationen skulle förbli stabil om de låter den fortsätta att gå ut till en miljard omlopp.

"Vi kallade modellen SPOCK—Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier — delvis för att modellen avgör om system kommer att "leva länge och blomstra", '" sa Tamayo.

SPOCK bestämmer den långsiktiga stabiliteten för planetkonfigurationer omkring 100, 000 gånger snabbare än den tidigare metoden, bryta den beräkningsmässiga flaskhalsen. Tamayo varnade för att även om han och hans kollegor inte har "löst" det allmänna problemet med planetarisk stabilitet, SPOCK identifierar tillförlitligt snabba instabiliteter i kompakta system, som de hävdar är de viktigaste för att försöka göra karaktärisering med begränsad stabilitet.

"Denna nya metod kommer att ge ett tydligare fönster in i planetsystems omloppsarkitekturer bortom våra egna, sa Tamayo.

Men hur många planetsystem finns det? Är inte vårt solsystem det enda?

Under de senaste 25 åren, astronomer har hittat mer än 4, 000 planeter som kretsar runt andra stjärnor, varav nästan hälften finns i flerplanetssystem. Men eftersom små exoplaneter är extremt utmanande att upptäcka, vi har fortfarande en ofullständig bild av deras orbitala konfigurationer.

"Mer än 700 stjärnor är nu kända för att ha två eller flera planeter som kretsar runt dem, sa professor Michael Strauss, ordförande för Princetons institution för astrofysiska vetenskaper. "Dan och hans kollegor har hittat ett fundamentalt nytt sätt att utforska dynamiken i dessa multiplanetsystem, påskynda datortiden som behövs för att göra modeller med faktorer på 100, 000. Med detta, vi kan hoppas att i detalj förstå hela utbudet av solsystemarkitekturer som naturen tillåter."

SPOCK är särskilt användbart för att förstå några av de svaga, avlägsna planetsystem som nyligen upptäckts av Kepler-teleskopet, sa Jessie Christiansen, en astrofysiker med NASA Exoplanet Archive som inte var involverad i denna forskning. "Det är svårt att begränsa deras egenskaper med våra nuvarande instrument, " sa hon. "Är de steniga planeter, isjättar, eller gasjättar? Eller något nytt? Detta nya verktyg kommer att tillåta oss att utesluta potentiella planetkompositioner och konfigurationer som skulle vara dynamiskt instabila - och det låter oss göra det mer exakt och i en väsentligt större skala än vad som tidigare var tillgängligt."