Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhà vật lý thiên văn đã tìm ra một phương pháp mới để xác định sự ổn định lâu dài của các cấu hình hành tinh nhanh hơn tới 100.000 lần so với phương pháp trước đây. Điều này phá vỡ nút cổ chai tính toán và cho phép cái nhìn sắc nét hơn về kiến trúc quỹ đạo của các hệ thống ngoại hành tinh.
Tại sao các hành tinh không va chạm thường xuyên hơn? Làm thế nào để các hệ hành tinh – như hệ mặt trời của chúng ta hoặc các hệ thống đa hành tinh xung quanh các ngôi sao khác – tự tổ chức? Trong tất cả các cách có thể hành tinh có thể quay quanh, có bao nhiêu cấu hình sẽ ổn định trong hàng tỷ năm của vòng đời của một ngôi sao?
Từ chối phạm vi lớn các khả năng không ổn định – tất cả các cấu hình sẽ dẫn đến va chạm – sẽ để lại một cái nhìn sắc nét hơn về các hệ hành tinh xung quanh các ngôi sao khác, nhưng nó không dễ dàng như âm thanh.
“Tách sự ổn định khỏi các cấu hình không ổn định hóa ra là một vấn đề khó khăn và cực kỳ khó khăn”, Daniel Tamayo, Chương trình học bổng Hubble của NASA Sagan Fellow nói về khoa học vật lý thiên văn tại Princeton. Để đảm bảo hệ thống hành tinh ổn định, các nhà thiên văn học cần tính toán chuyển động của nhiều hành tinh tương tác trong hàng tỷ năm và kiểm tra từng cấu hình có thể có ổn định hay không – một công việc bị cấm tính toán.
Các nhà thiên văn học kể từ Isaac Newton đã vật lộn với vấn đề ổn định quỹ đạo nhưng trong khi cuộc đấu tranh đóng góp vào nhiều cuộc cách mạng toán học, bao gồm lý thuyết tính toán và hỗn loạn, không ai tìm ra cách dự đoán cấu hình ổn định về mặt lý thuyết. Các nhà thiên văn học hiện đại vẫn phải “vũ phu” các tính toán, mặc dù với siêu máy tính thay vì abaci hoặc quy tắc trượt.
Tamayo nhận ra rằng anh ta có thể đẩy nhanh quá trình bằng cách kết hợp các mô hình đơn giản hóa các tương tác động của các hành tinh với các phương pháp học máy. Điều này cho phép loại bỏ nhanh chóng các cấu hình quỹ đạo không ổn định một cách nhanh chóng – các tính toán mất hàng chục nghìn giờ giờ có thể được thực hiện trong vài phút. Ông là tác giả chính trên một bài viết chi tiết cách tiếp cận trong Kỷ yếu của Viện hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences). Đồng tác giả bao gồm sinh viên tốt nghiệp Miles Cranmer và David Spergel, Giáo sư thiên văn học Charles A. Young của Princeton về Lớp học 1897 Foundation, Danh dự.
Đối với hầu hết các hệ thống đa hành tinh, có nhiều cấu hình quỹ đạo có thể được cung cấp cho dữ liệu quan sát hiện tại, trong đó không phải tất cả sẽ ổn định. Nhiều cấu hình về mặt lý thuyết có thể sẽ “nhanh chóng” – nghĩa là, không quá nhiều triệu năm – gây mất ổn định thành một mớ hỗn độn của các quỹ đạo. Mục tiêu là để loại trừ những hành tinh được gọi là “sự bất ổn nhanh”.
“Chúng tôi không thể nói một cách cụ thể ‘Hệ thống này sẽ ổn, nhưng hệ thống đó sẽ sớm nổ tung”, Tamayo nói. “Mục tiêu thay vào đó là, đối với một hệ thống nhất định, để loại trừ tất cả các khả năng không ổn định đã va chạm và không thể tồn tại vào ngày hôm nay.”
Thay vì mô phỏng một cấu hình nhất định cho một tỷ quỹ đạo – phương pháp vũ phu truyền thống sẽ mất khoảng 10 giờ – mô hình của Tamay thay vì mô phỏng 10.000 quỹ đạo, chỉ mất một phần giây. Từ đoạn trích ngắn này, họ tính toán 10 số liệu tóm tắt nắm bắt được động lực cộng hưởng của hệ thống. Cuối cùng, họ huấn luyện một thuật toán học máy để dự đoán từ 10 tính năng này xem liệu cấu hình có ổn định hay không nếu họ để nó tiếp tục đi ra một tỷ quỹ đạo.
“Chúng tôi đã gọi mô hình SPOCK – Ổn định cấu hình quỹ đạo hành tinh Klassifier – một phần vì mô hình xác định liệu các hệ thống sẽ ‘sống lâu và thịnh vượng hay không”, Tamayo nói.
SPOCK xác định sự ổn định lâu dài của các cấu hình hành tinh nhanh hơn khoảng 100.000 lần so với phương pháp trước đó, phá vỡ nút thắt tính toán. Tamayo cảnh báo rằng trong khi anh và các đồng nghiệp chưa “giải quyết” được vấn đề chung về sự ổn định hành tinh, SPOCK không xác định được sự bất ổn nhanh chóng trong các hệ thống nhỏ gọn, mà họ cho rằng là quan trọng nhất trong việc cố gắng thực hiện đặc tính hạn chế ổn định.
Phương pháp mới này sẽ cung cấp một cửa sổ rõ ràng hơn vào các kiến trúc quỹ đạo của các hệ hành tinh ngoài chính chúng ta.
Nhưng có bao nhiêu hệ hành tinh? Không phải hệ mặt trời của chúng ta là duy nhất sao?
Trong 25 năm qua, các nhà thiên văn học đã tìm thấy hơn 4.000 hành tinh quay quanh các ngôi sao khác trong đó gần một nửa là trong các hệ thống đa hành tinh. Nhưng vì các ngoại hành tinh nhỏ rất khó phát hiện, chúng ta vẫn có một bức tranh chưa hoàn chỉnh về cấu hình quỹ đạo của chúng.
Giáo sư Michael Strauss, chủ tịch Khoa Khoa học Vật lý Thiên văn của Princeton cho biết: “Hơn 700 ngôi sao hiện được biết có hai hoặc nhiều hành tinh quay quanh chúng. Dan và các đồng nghiệp đã tìm ra một cách mới về cơ bản để khám phá tính năng động của các hệ thống đa hành tinh này, tăng tốc thời gian máy tính cần thiết để tạo ra các mô hình theo hệ số 100.000. Với điều này, chúng tôi có thể hy vọng hiểu chi tiết toàn bộ phạm vi kiến trúc hệ mặt trời mà thiên nhiên cho phép. “
SPOCK đặc biệt hữu ích trong việc tìm hiểu một số hệ thống hành tinh mờ nhạt, xa xôi gần đây được phát hiện bởi kính viễn vọng Kepler, Jessie Christiansen, nhà vật lý thiên văn thuộc Lưu trữ Exoplanet của NASA, người không tham gia vào nghiên cứu này cho biết. “Thật khó để hạn chế tài sản của họ với các công cụ hiện tại của chúng tôi”, cô nói. “Chúng có phải là các hành tinh đá, người khổng lồ băng hay người khổng lồ khí không? Hay một cái gì đó mới? Công cụ mới này sẽ cho phép chúng ta loại trừ các thành phần và cấu hình hành tinh tiềm năng sẽ không ổn định – và nó cho phép chúng ta làm điều đó chính xác hơn và trên cơ bản quy mô lớn hơn so với trước đây. “
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Princeton . Bản gốc được viết bởi Liz Fuller-Wright. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :