Despite over three hundred years of effort, no solutions exist for predicting when a general planetary configuration will become unstable. We introduce a deep learning architecture to push forward this problem for compact systems. While current machine learning algorithms in this area rely on scientist-derived instability metrics, our new technique learns its own metrics from scratch, enabled by a novel internal structure inspired from dynamics theory. Our Bayesian neural network model can accurately predict not only if, but also when a compact planetary system with three or more planets will go unstable. Our model, trained directly from short N-body time series of raw orbital elements, is more than two orders of magnitude more accurate at predicting instability times than analytical estimators, while also reducing the bias of existing machine learning algorithms by nearly a factor of three. Despite being trained on compact resonant and near-resonant three-planet configurations, the model demonstrates robust generalization to both non-resonant and higher multiplicity configurations, in the latter case outperforming models fit to that specific set of integrations. The model computes instability estimates up to five orders of magnitude faster than a numerical integrator, and unlike previous efforts provides confidence intervals on its predictions. Our inference model is publicly available in the SPOCK package, with training code open-sourced.


翻译:尽管经过三百多年的努力,但是在预测总行星配置何时会变得不稳定时,没有解决办法存在。我们引入了一个深层次的学习架构,以推进紧凑系统的问题。虽然目前这一领域的机器学习算法依赖于科学家的不稳定度量,但我们的新技术还是从零开始学习自己的量度,这得益于动力学理论的新型内部结构。我们的贝亚神经网络模型不仅可以准确预测何时,而且当一个拥有三个或三个以上行星的紧凑行星的行星系统会变得不稳定时。我们的模型直接从原始轨道元素的短N-体时序中训练,比分析估计器更精确地预测不稳定时间的两级以上。虽然目前在这一领域的机器学习算法依赖了科学家的不稳定度值,同时将现有机器学习算法的偏差减少近三个系数。尽管我们接受了关于紧凑共振和近共三层平台结构的培训,但该模型不仅能够准确预测何时,而且当三层行星的紧凑和更高多重性配置都会发生不稳定性。在后一种情况下,与该特定集成集的精度模型不相适应。模型,在预测中测测测测到五层的不稳定度估计,而比我们现有的机器测算的模型在前的模型中提供了一种数字化的精确的模型。

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