Pourquoi les planètes ne se heurtent-elles pas plus souvent ? Comment les systèmes planétaires, comme notre système solaire ou les systèmes multiplanétaires autour d'autres étoiles, s'organisent-ils ? De toutes les manières possibles dont les planètes pourraient orbiter, combien de configurations resteront stables au cours des milliards d'années du cycle de vie d'une étoile ?

Rejeter le large éventail de possibilités instables - toutes les configurations qui conduiraient à des collisions - laisserait derrière lui une vision plus nette des systèmes planétaires autour d'autres étoiles, mais ce n'est pas aussi facile qu'il y paraît.

"Séparer les configurations stables des configurations instables s'avère être un problème fascinant et brutalement difficile, " a déclaré Daniel Tamayo, un programme de bourses Hubble de la NASA Sagan Fellow en sciences astrophysiques à Princeton. Pour s'assurer qu'un système planétaire est stable, les astronomes doivent calculer les mouvements de plusieurs planètes en interaction sur des milliards d'années et vérifier la stabilité de chaque configuration possible - une entreprise de calcul prohibitive.

Les astronomes depuis Isaac Newton ont lutté avec le problème de la stabilité orbitale, mais tandis que la lutte a contribué à de nombreuses révolutions mathématiques, y compris le calcul et la théorie du chaos, personne n'a trouvé un moyen de prédire théoriquement des configurations stables. Les astronomes modernes doivent encore "forcer brutalement" les calculs, mais avec des superordinateurs au lieu d'abaci ou de règles à calcul.

Tamayo s'est rendu compte qu'il pouvait accélérer le processus en combinant des modèles simplifiés d'interactions dynamiques des planètes avec des méthodes d'apprentissage automatique. Cela permet d'éliminer rapidement d'énormes bandes de configurations orbitales instables - des calculs qui auraient pris des dizaines de milliers d'heures peuvent désormais être effectués en quelques minutes. Il est l'auteur principal d'un article détaillant l'approche de la Actes de l'Académie nationale des sciences . Les co-auteurs incluent l'étudiant diplômé Miles Cranmer et David Spergel, Charles A. Young professeur d'astronomie de Princeton sur la classe de 1897 Foundation, Émérite.

Pour la plupart des systèmes multi-planètes, il existe de nombreuses configurations orbitales possibles compte tenu des données d'observation actuelles, dont tous ne seront pas stables. De nombreuses configurations théoriquement possibles seraient « rapidement », c'est-à-dire dans pas trop de millions d'années-déstabiliser dans un enchevêtrement d'orbites croisées. L'objectif était d'exclure ces soi-disant « instabilités rapides ».

"Nous ne pouvons pas dire catégoriquement 'Ce système ira bien, mais celui-là va bientôt exploser, '", a déclaré Tamayo. "Le but est plutôt, pour un système donné, pour écarter toutes les possibilités instables qui se seraient déjà heurtées et ne pourraient pas exister à l'heure actuelle."

Au lieu de simuler une configuration donnée pour un milliard d'orbites - l'approche traditionnelle de la force brute, ce qui prendrait environ 10 heures - le modèle de Tamayo simule à la place pour 10, 000 orbites, ce qui ne prend qu'une fraction de seconde. De ce court extrait, ils calculent 10 mesures récapitulatives qui capturent la dynamique de résonance du système. Finalement, ils entraînent un algorithme d'apprentissage automatique pour prédire à partir de ces 10 fonctionnalités si la configuration resterait stable s'ils la laissaient continuer à atteindre un milliard d'orbites.

"Nous avons appelé le modèle SPOCK - Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier - en partie parce que le modèle détermine si les systèmes 'vivront longtemps et prospéreront, '", a déclaré Tamayo.

SPOCK détermine la stabilité à long terme des configurations planétaires environ 100, 000 fois plus rapide que l'approche précédente, briser le goulot d'étranglement de calcul. Tamayo a averti que bien que lui et ses collègues n'aient pas "résolu" le problème général de la stabilité planétaire, SPOCK identifie de manière fiable les instabilités rapides dans les systèmes compacts, qui, selon eux, sont les plus importants pour tenter de caractériser la stabilité sous contrainte.

"Cette nouvelle méthode fournira une fenêtre plus claire sur les architectures orbitales des systèmes planétaires au-delà du nôtre, " a déclaré Tamayo.

Mais combien y a-t-il de systèmes planétaires ? Notre système solaire n'est-il pas le seul ?

Au cours des 25 dernières années, les astronomes en ont trouvé plus de 4, 000 planètes en orbite autour d'autres étoiles, dont près de la moitié se trouvent dans des systèmes multiplanétaires. Mais comme les petites exoplanètes sont extrêmement difficiles à détecter, nous avons encore une image incomplète de leurs configurations orbitales.

"Plus de 700 étoiles sont maintenant connues pour avoir deux planètes ou plus en orbite autour d'elles, " a déclaré le professeur Michael Strauss, président du Département des sciences astrophysiques de Princeton. "Dan et ses collègues ont trouvé une façon fondamentalement nouvelle d'explorer la dynamique de ces systèmes multiplanétaires, accélérer le temps informatique nécessaire à la réalisation des modèles par des facteurs 100, 000. Avec cela, nous pouvons espérer comprendre en détail toute la gamme d'architectures du système solaire que la nature permet."

SPOCK est particulièrement utile pour donner un sens à certains des faibles, systèmes planétaires lointains récemment repérés par le télescope Kepler, dit Jessie Christiansen, un astrophysicien de la NASA Exoplanet Archive qui n'était pas impliqué dans cette recherche. "Il est difficile de contraindre leurs propriétés avec nos instruments actuels, " dit-elle. " Sont-ils des planètes rocheuses, géants de glace, ou géantes gazeuses ? Ou quelque chose de nouveau ? Ce nouvel outil nous permettra d'exclure des compositions et des configurations de planètes potentielles qui seraient dynamiquement instables, et il nous permet de le faire avec plus de précision et à une échelle nettement plus grande que ce qui était disponible auparavant. »