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小型多惑星系の長期安定性の予測
Predicting the long-term stability of compact multiplanet systems.
PMID: 32675234 DOI: 10.1073/pnas.2001258117.
抄録
我々は、2惑星系の共鳴ダイナミクスの解析的理解と機械学習技術を組み合わせて、コンパクト多惑星系の安定性を [式: 本文参照]軌道の長いタイムスケールでロバストに分類できるモデルを構築する。我々の Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier (SPOCK) は，最初の [Formula: text参照]軌道の積分で測定された物理的に動機づけられたサマリー統計量を用いて安定性を予測し，完全なシミュレーションよりも最大で [Formula: text参照]高速化を達成しました．これにより，多惑星系の安定性に制約のある特性評価が計算的に可能になります．我々のモデルは、離散共鳴でサンプリングされた約10万個の3惑星系を対象にしており、連続的な周期比範囲のサンプルや、我々の訓練データとは質的に異なる配置を持つ5惑星系の大規模なサンプルに対しても一般化することができる。この手法は、系の角運動量欠損、カオス指標、数値積分へのパラメトリックフィットなどを用いた従来の手法を大きく凌駕している。我々はSPOCKを用いて、地球サイズの惑星3個からなるKepler-431系の内側と外側の惑星間の自由偏心率をともに0.05以下にするように制約した。我々の安定性解析では、現在、小さな惑星の半径速度や通過時間の測定では達成できない、数分の一の精度での偏心量の制約が得られました。現在の太陽系外惑星検出戦略では、強いTTV制約がほとんどないことを考えると[S. Hadden, T. Barclay, M. J. Payne, M. J. Holman, 158, 146 (2019)]、SPOCKはコンパクトな多惑星系を正確に特徴づけるための強力な補完手法を可能にします。我々は、コミュニティ利用のためにSPOCKを公開している。
We combine analytical understanding of resonant dynamics in two-planet systems with machine-learning techniques to train a model capable of robustly classifying stability in compact multiplanet systems over long timescales of [Formula: see text] orbits. Our Stability of Planetary Orbital Configurations Klassifier (SPOCK) predicts stability using physically motivated summary statistics measured in integrations of the first [Formula: see text] orbits, thus achieving speed-ups of up to [Formula: see text] over full simulations. This computationally opens up the stability-constrained characterization of multiplanet systems. Our model, trained on ∼100,000 three-planet systems sampled at discrete resonances, generalizes both to a sample spanning a continuous period-ratio range, as well as to a large five-planet sample with qualitatively different configurations to our training dataset. Our approach significantly outperforms previous methods based on systems' angular momentum deficit, chaos indicators, and parametrized fits to numerical integrations. We use SPOCK to constrain the free eccentricities between the inner and outer pairs of planets in the Kepler-431 system of three approximately Earth-sized planets to both be below 0.05. Our stability analysis provides significantly stronger eccentricity constraints than currently achievable through either radial velocity or transit-duration measurements for small planets and within a factor of a few of systems that exhibit transit-timing variations (TTVs). Given that current exoplanet-detection strategies now rarely allow for strong TTV constraints [S. Hadden, T. Barclay, M. J. Payne, M. J. Holman, 158, 146 (2019)], SPOCK enables a powerful complementary method for precisely characterizing compact multiplanet systems. We publicly release SPOCK for community use.