Seorang astrofisikawan mempertajam pandangan kita tentang arsitektur orbital – Sains Terkini

Mengapa planet tidak bertabrakan lebih sering? Bagaimana sistem planet – seperti tata surya kita atau sistem multi-planet di sekitar bintang-bintang lain – mengatur diri mereka sendiri? Dari semua cara yang mungkin dilakukan planet-planet, berapa banyak konfigurasi yang akan tetap stabil selama milyaran tahun dari siklus hidup bintang?

Menolak berbagai kemungkinan tidak stabil – semua konfigurasi yang akan mengarah pada tabrakan – akan meninggalkan pandangan yang lebih tajam tentang sistem planet di sekitar bintang-bintang lain, tetapi itu tidak semudah kedengarannya.

"Memisahkan kestabilan dari konfigurasi yang tidak stabil ternyata menjadi masalah yang menarik dan sangat sulit," kata Daniel Tamayo, Program Hubble Fellowship NASA Sagan Fellow dalam ilmu astrofisika di Princeton. Untuk memastikan sistem planet stabil, para astronom perlu menghitung gerakan beberapa planet yang saling berinteraksi selama miliaran tahun dan memeriksa setiap konfigurasi yang memungkinkan untuk stabilitas – suatu upaya yang secara komputasi dilarang.

Para astronom sejak Isaac Newton telah bergulat dengan masalah stabilitas orbital, tetapi sementara perjuangan berkontribusi pada banyak revolusi matematika, termasuk teori kalkulus dan kekacauan, tidak ada yang menemukan cara untuk memprediksi konfigurasi stabil secara teoritis. Astronom modern masih harus "memaksa" perhitungan, meskipun dengan superkomputer, bukan abaci atau aturan geser.


Tamayo menyadari bahwa ia dapat mempercepat proses dengan menggabungkan model interaksi dinamis planet yang disederhanakan dengan metode pembelajaran mesin. Hal ini memungkinkan penghapusan petak besar konfigurasi orbital tidak stabil dengan cepat – perhitungan yang akan memakan waktu puluhan ribu jam sekarang dapat dilakukan dalam hitungan menit. Dia adalah penulis utama di kertas yang merinci pendekatan dalam Prosiding Akademi Sains Nasional. Rekan penulis termasuk mahasiswa pascasarjana Miles Cranmer dan David Spergel, Profesor Astronomi Charles A. Young dari Princeton pada Class of 1897 Foundation, Emeritus.

Untuk sebagian besar sistem multi-planet, ada banyak konfigurasi orbital yang dimungkinkan mengingat data pengamatan saat ini, yang tidak semua akan stabil. Banyak konfigurasi yang secara teori memungkinkan akan "cepat" – yaitu, tidak terlalu banyak jutaan tahun – akan menjadi tidak stabil menjadi jalinan orbit yang saling bersilangan. Tujuannya adalah untuk mengesampingkan apa yang disebut "ketidakstabilan cepat".

"Kami tidak dapat dengan pasti mengatakan 'Sistem ini akan baik-baik saja, tetapi yang itu akan segera meledak,'" kata Tamayo. "Tujuannya adalah, untuk sistem yang diberikan, untuk mengesampingkan semua kemungkinan tidak stabil yang mungkin telah bertabrakan dan tidak bisa ada pada hari ini."

Alih-alih mensimulasikan konfigurasi yang diberikan untuk satu miliar orbit – pendekatan brute-force tradisional, yang akan memakan waktu sekitar 10 jam – model Tamayo malah mensimulasikan 10.000 orbit, yang hanya membutuhkan sepersekian detik. Dari cuplikan singkat ini, mereka menghitung 10 metrik ringkasan yang menangkap dinamika resonansi sistem. Akhirnya, mereka melatih algoritma pembelajaran mesin untuk memprediksi dari 10 fitur ini apakah konfigurasi akan tetap stabil jika mereka membiarkannya berlanjut hingga satu miliar orbit.

"Kami menyebut model SPOCK – Stabilitas Konfigurasi Planet Orbital Klassifier – sebagian karena model menentukan apakah sistem akan 'hidup lama dan makmur,'" kata Tamayo.

SPOCK menentukan stabilitas jangka panjang dari konfigurasi planet sekitar 100.000 kali lebih cepat dari pendekatan sebelumnya, memecahkan hambatan komputasi. Tamayo memperingatkan bahwa sementara dia dan rekan-rekannya belum "memecahkan" masalah umum stabilitas planet, SPOCK memang andal mengidentifikasi ketidakstabilan cepat dalam sistem kompak, yang menurut mereka adalah yang paling penting dalam mencoba melakukan karakterisasi kendala stabilitas.


"Metode baru ini akan memberikan jendela yang lebih jelas ke arsitektur orbital sistem planet di luar kita sendiri," kata Tamayo.

Tetapi berapa banyak sistem planet yang ada? Bukankah tata surya kita satu-satunya?

Dalam 25 tahun terakhir, para astronom telah menemukan lebih dari 4.000 planet yang mengorbit bintang lain, yang hampir setengahnya berada di sistem multi-planet. Tetapi karena exoplanet kecil sangat sulit dideteksi, kami masih memiliki gambaran konfigurasi orbital yang tidak lengkap.

"Lebih dari 700 bintang sekarang diketahui memiliki dua planet atau lebih yang mengorbit di sekelilingnya," kata Profesor Michael Strauss, ketua Departemen Ilmu Astrofisika Princeton. "Dan dan rekan-rekannya telah menemukan cara fundamental baru untuk mengeksplorasi dinamika sistem multi-planet ini, mempercepat waktu komputer yang diperlukan untuk membuat model dengan faktor 100.000. Dengan ini, kita dapat berharap untuk memahami secara rinci berbagai macam arsitektur tata surya yang dimungkinkan oleh alam. "

SPOCK sangat membantu untuk memahami beberapa sistem planet yang samar dan jauh yang baru-baru ini ditemukan oleh teleskop Kepler, kata Jessie Christiansen, ahli astrofisika dari NASA Exoplanet Archive yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Sulit untuk membatasi sifat mereka dengan instrumen kita saat ini," katanya. "Apakah mereka planet berbatu, raksasa es, atau raksasa gas? Atau sesuatu yang baru? Alat baru ini akan memungkinkan kita untuk mengesampingkan potensi komposisi dan konfigurasi planet yang secara dinamis tidak stabil – dan memungkinkan kita melakukannya dengan lebih tepat dan secara substansial skala lebih besar dari yang sebelumnya tersedia. "

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.