El interior y el origen de Júpiter

Título del artículo original: NeuralCMS: A deep learning approach to study Jupiter’s interior.
Autoría: Maayan Ziv, Eli Galanti, Amir Sheffer, Saburo Howard, Tristan Guillot, Yohai Kaspi.
Institución del primer autor o autora: Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra, Instituto de Ciencia Weizmann, Israel.
Estado de la publicación: Aceptado para publicación en Astronomy & Astrophysics, acceso abierto en arXiv.org.

Los científicos y científicas se deleitan en descubrir cosas nuevas, responder interrogantes y refinar el conocimiento que ya se tenía, pero me parece que existe un fervor único en el momento de descubrir algo nuevo acerca de un tema viejo. Y no hay tema más viejo que el Sistema Solar, que ha sido objeto de estudio desde el inicio de la humanidad. Los planetas hasta Saturno se pueden observar a ojo desnudo y han sido conocidos desde la antigüedad. Cuando Galileo descubrió las cuatro lunas más grandes de Júpiter en 1610, probablemente nunca se imaginó que habría un satélite artificial alrededor de ese planeta  con su nombre 400 años después. Hoy sabemos mucho acerca de Júpiter y el Sistema Solar, pero también hay muchas preguntas sin respuesta. ¿Cómo y dónde se formó Júpiter? ¿Se formó donde está hoy en día, más cerca del Sol, o más lejos del Sol? ¿Todos los planetas se formaron al mismo tiempo? Por ejemplo, la Hipótesis del Gran Viraje sostiene que Júpiter se formó más cerca del Sol, migró aún más cerca, y luego eventualmente volvió a alejarse hasta llegar a su ubicación actual, todo en el espacio de unos 5 millones de años, lo que es muy rápido para el Sistema Solar. Por otro lado, el Modelo de Niza propone que los cuatro planetas gigantes se formaron más cerca, y migraron lentamente hacia el exterior. También hay teorías de que los planetas gigantes se formaron muchísimo más lejos, y han migrado hacia el interior. Ademas, la cantidad de elementos pesados (cualquier cosa mas pesada que el Helio) en la superficie del planeta fue medida por las sondas Galileo y Juno, y las abundancias son más altas que las del Sol. ¿De dónde salieron esos elementos?

Y no olvidemos que entre los planetas extrasolares que conocemos, muchos son Júpiteres calientes, planetas gigantes que, a diferencia de nuestros planetas mayores, orbitan su estrella más cerca que Mercurio orbita al Sol. ¿Esos sistemas también se explican con las teorías ya mencionadas?

Para tratar de resolver estas interrogantes, los autores del artículo de hoy hacen un nuevo análisis del interior de Júpiter.

Lo que sabemos y lo que no sabemos

Llevamos toda la historia de la humanidad estudiando a Júpiter, y gracias a algunas misiones de la NASA, como Voyager 1, Galileo, Cassini-Huygens y Juno, tenemos mediciones bastante precisas de algunas propiedades del planeta. Por ejemplo, la órbita, la rotación, la masa, el radio y la temperatura exterior de Júpiter se conocen. Conocemos el contenido químico de la atmósfera exterior. Muy recientemente, Juno midió el campo gravitacional de Júpiter, y descubrió que el núcleo rocoso y sólido probablemente está rodeado de un núcleo exterior difuso.

Ignoramos mucho también, como por ejemplo, la distribución de densidad, presión y composición química del planeta desde el centro hasta el exterior. No sabemos con exactitud el tamaño, masa o la concentración de elementos pesados del núcleo exterior difuso, y tampoco del núcleo interior rocoso.

Modelos neurales de aprendizaje profundo

Para poder mejorar nuestro conocimiento del gran planeta, los autores utilizan un modelo que llaman NeuralCMS. Es un modelo de aprendizaje profundo, un algoritmo que utiliza inteligencia artificial para resolver un problema de astronomía. Las redes neuronales artificiales del algoritmo utilizan “neuronas”, que esencialmente son computadores que se asocian para hacer cálculos y estimar variables. Los autores tienen un modelo de Júpiter con 4 capas: el núcleo interno rocoso, el núcleo exterior difuso, un manto gaseoso rico en Helio, y una atmósfera exterior. En su procedimiento, los autores subdividen el planeta en 1041 capas, para poder determinar parámetros en función del radio (Figura 2).

Los autores le entregan al modelo 7 parámetros: la abundancia primordial de Helio en el Sistema Solar (Y_proto), la temperatura a una presión de 1 bar (T_1bar, en el exterior del planeta), la abundancia de elementos pesados en la atmosfera (Z₁), la presión en la zona de transición entre el manto gaseoso y la atmósfera (P₁₂), la masa y la abundancia de elementos pesados del núcleo difuso (m_dilute y Z_dilute), y el radio del núcleo rocoso (r_core). El modelo entrega 5 resultados: la masa del planeta (¡recordando que tenemos ya mediciones!), y los cuatro primeros momentos gravitacionales (J₂, J₄, J₆, J₈), que nos ayudan a determinar la distribución no uniforme de masa del planeta.

100.000 veces más rápido

De los 10⁹ modelos que los autores califican de “plausibles” antes de su investigación, los autores logran identificar 10⁴ modelos compatibles con los datos de Juno. Los autores lograron hacerlo 100.000 veces más rápido de lo esperado, ya que su algoritmo logra discernir modelos inconsistentes con los datos muy velozmente. Al reducir las posibles configuraciones del interior del planeta, lograron acercarnos a una solución definitiva de cómo y dónde se formó Júpiter, y cómo es que se forman los exoplanetas. Su algoritmo es público, y esperamos que se utilice con otros planetas gigantes o quizás exoplanetas también. ¡El misterio de Júpiter aún no esta resuelto!