Projekt-Galerie 2023

Exoti

Evangelická Akademie Praha  Praha -    Tschechische Republik 17 Jahre alt, 15 Jahre alt   4 / 2

TOI-560c

TOI-560c Projektbeschreibung:

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der Exoplanet TOI-560 c (auch Mini-Neptun oder Super-Erde genannt), einer der beiden Exoplaneten, die den Zwergstern TOI-560 vom Typ K umkreisen. Er wurde mit Hilfe der Transitmethode mit dem Weltraumteleskop CHaracterising ExOPlanets Satellite (CHEOPS) beobachtet. Ziel unserer Forschung war es, die grundlegenden Eigenschaften dieses Exoplaneten zu berechnen, darunter seinen Radius, seine Masse, seine Umlaufentfernung, seine Umlaufzeit, seine Dichte und seine Durchschnittstemperatur. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse soll festgestellt werden, ob dieser Exoplanet die notwendigen Bedingungen für die Existenz von Leben ähnlich dem auf der Erde erfüllt. Aufgrund der verfügbaren Informationen wird die Existenz von erdähnlichem Leben auf TOI-560 c als unwahrscheinlich angesehen.

Um den Radius des Exoplaneten TOI-560 c zu berechnen, wird die Transitmethode verwendet, bei der der Vorbeiflug des Planeten an seinem Wirtsstern beobachtet wird. Dabei wird der durchschnittliche Radius des Planeten im Vergleich zum Radius der Erde bestimmt. Die mittlere Bahndistanz und die Umlaufzeit wurden mit Hilfe der Keplerschen Gesetze berechnet. Die Dichte des Exoplaneten TOI-560 c wurde aus den Volumen- und Massenwerten auf der Grundlage des geschätzten Radius ermittelt.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Exoplanet TOI-560 c einen Radius hat, der etwa 2,37-mal größer ist als der Radius der Erde, eine Masse, die etwa 9,7-mal so groß ist wie die der Erde, einen mittleren Umlaufabstand von etwa 0,124 AE und eine Umlaufzeit von etwa 18,88 Tagen. Die geschätzte Dichte des Exoplaneten beträgt etwa 4,004 g/cm3, und die durchschnittliche Temperatur wird auf 225°C geschätzt.

TOI-560c Ergebnisse und Analyse

1. Datenanalyse
Ziel der Analyse ist es, den Radius des Exoplaneten TOI-560 c, seine Umlaufzeit, den Abstand zu seinem Stern und seine Dichte zu bestimmen. Die Berechnungsmethoden werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.
3.1. Der Radius des TOI-560 c
Um den Radius des Planeten zu bestimmen, war es notwendig, die Tiefe des Transits zu kennen (d.h. die prozentuale Abnahme der Helligkeit des Sterns TOI-560, wenn sich der Planet TOI-560 c zwischen dem Beobachter und seinem Stern befand). In unseren Berechnungen wurde dieser Wert auf 0,2% geschätzt.

Anschließend wird die Analyse mit der Formel fortgesetzt:

(1.1)

R steht für den Radius; p steht für den Exoplaneten (TOI-560 c) und s steht für seinen Stern (TOI-560).

Im Folgenden wird die Formel für die Berechnung des Radius abgeändert:

(1.2)

Die bekannten Werte werden in die Formel (3.2.) eingesetzt:

Es folgt die Berechnung des Radius.

 

 

 

 
(1.3)

Abbildung 2: Transitlichtkurve des TOI-560 c [[1]]

Aufgrund der ungenauen Schätzung der prozentualen Transittiefe fiel unser Ergebnis jedoch etwas höher aus, als es tatsächlich war. Unter Bezugnahme auf die im Programm Allesfitter ermittelten Werte haben wir unser Ergebnis auf REarth korrigiert, und dieser Wert wird als Grundlage für weitere Berechnungen verwendet.

3.2. Umlaufszeit

Für die Berechnung der Umlaufzeit war es notwendig, die Gravitationskonstante (G) und die Masse der Sonne (MS) zu kennen.

Wir haben beide Werte auf der Website Hack an Exoplanet[[1]] gefunden. Die Werte, mit denen wir gearbeitet haben, lauten wie folgt:

(1.4)

 

 
(1.5)

Aus den mit dem Programm Allesfitter ermittelten Werten wurde die Umlaufzeit von TOI-560 c (18,8797 Tage) bestimmt. Für weitere Berechnungen wird dieser Wert in Sekunden (1631206,082 s) umgerechnet.

Diese Werte wurden dann in die folgende Formel eingesetzt

(1.6)

wobei d die Bahndistanz darstellt.

Die Arbeit mit der Formel verlief wie folgt:

(1.7)

 

(1.8)

 

(1.9)

Abbildung 3: Das Modell der Umlaufbahn von TOI-560 c um den Stern TOI-560 (der blaue Punkt im gelben Rechteck stellt TOI-560 c dar) [[1]]

(1.10)

Aus den Berechnungen ergibt sich ein Wert von 0,124 AE, was im Vergleich zur Entfernung der Erde von der Sonne (1 AE) ein geringerer Abstand ist. Der Vergleich der Werte von TOI-560 c mit denen von Planeten im Sonnensystem wird in einem späteren Teil der Studie behandelt. An dieser Stelle ist es angebracht zu erwähnen, dass aus der Umlaufzeit und der Entfernung vom Wirtsstern geschlossen werden kann, dass sich TOI-560 c sehr nahe an seinem Stern und nicht in der bewohnbaren Zone befindet (Abbildung 3).
3.3. Temperatur
Die durchschnittliche Temperatur auf TOI-560 c wurde anhand der verfügbaren Daten des CHEOPS-Teleskops ermittelt, die auf der Hack an Exoplanet-Website [[2]] zur Verfügung gestellt werden. Die durchschnittliche Temperatur auf TOI-560 c beträgt etwa 225°C. Dies übertrifft deutlich die Temperaturen fast aller Planeten des Sonnensystems, mit der möglichen Ausnahme der Venus, wo die Durchschnittstemperatur Werte um 565°C erreicht. Die Temperatur von TOI-560 c liegt in der Nähe der Temperatur von Merkur, wo die Durchschnittstemperatur bis zu 167 °C beträgt. Eine solche Temperatur ist für erdähnliches Leben unwirtlich, da die Durchschnittstemperatur auf der Erde bei etwa 17°C liegt. Außerdem liegt die Temperatur, die wir für TOI-560 c ermittelt haben, über dem Siedepunkt von Wasser (125 °C). Ein entscheidender Faktor ist der Atmosphärendruck. Der Siedepunkt einer Substanz hängt nicht nur von ihrer Temperatur ab, sondern auch von dem Druck, der auf sie ausgeübt wird. Auf der Erde, auf Meereshöhe, beträgt der atmosphärische Druck etwa 1 Atmosphäre, so dass Wasser bei 100 °C sieden kann. Auf TOI-560 c herrschen jedoch ganz andere atmosphärische Bedingungen und eine ganz andere Zusammensetzung. Wenn der Atmosphärendruck wesentlich höher ist als auf der Erde, benötigt das Wasser eine höhere Temperatur, um seinen Siedepunkt zu erreichen. Der Siedepunkt eines Stoffes ist die Temperatur, bei der sein Dampfdruck gleich dem äußeren Druck ist, der auf ihn wirkt. Wenn der Außendruck höher ist, wie es auf TOI-560 c der Fall sein könnte, wäre der Siedepunkt des Wassers entsprechend höher.

Dies ist eine große Herausforderung für die Entstehung von Leben, das dem auf der Erde ähnelt.

Diese Schlussfolgerung ist jedoch nicht völlig endgültig und schlüssig. Trotz der unwirtlichen Bedingungen auf der Oberfläche des Planeten besteht die Möglichkeit, dass flüssiges Wasser in Form von unterirdischen Ozeanen oder tiefen Reservoirs vorhanden ist. Die hohe Dichte (siehe 3.4. Dichte) von TOI-560 c könnte auf das Vorhandensein einer beträchtlichen Menge an Wasser hinweisen, das unter seiner felsigen Oberfläche eingeschlossen ist.

 

Abbildung 4: Daten (Temperatur) von der Hack an exoplanet Website [1]

3.4. Dichte
Um die Dichte des Planeten zu berechnen, musste sein Volumen bestimmt werden. Das Volumen wird mit der folgenden Formel berechnet

(1.11)

wobei RP den Radius des TOI-560 c darstellt.

Wir haben RP = 2,37 mit REarth = 6378 km multipliziert, um ihn in Basiseinheiten umzurechnen. Daraus ergibt sich der Wert von Rp.

(1.12)

Wir setzen diesen Wert in die oben genannte Formel (3.11) ein,

(1.13)

 

Die Formel sah dann wie folgt aus:

(1.14)

Der Wert des Volumens wurde dann in die Formel zur Berechnung der Dichte eingesetzt,

(1.15)

wobei 𝜌 für die Dichte, M für die Masse, V für das Volumen und p für den Exoplaneten (TOI-560 c) steht.

Die Berechnung verlief gemäß (3.14) wie folgt:

(1.16)

 

(1.17)

1.1. Ergebnisse
Tabelle 1: Ergebnisse der Studie

Name
TOI-560 c

Radius
2.378 Erden

Orbitaler Abstand
0,124 AU

Umlaufzeit
18,8797 Tage

Dichte
4,004 g/cm3

Durchschnittliche Temperatur
225 Grad Celsius

 

 

 

 

 

 

 

 

Auf der Grundlage der vorliegenden Informationen über den Exoplaneten TOI-560 c konnten Hypothesen über sein Aussehen und seine mögliche Bewohnbarkeit aufgestellt werden.

 

Hypothese 1: Angesichts der Durchschnittstemperatur von 225 Grad Celsius ist es wahrscheinlich, dass auf TOI-560 c eine lebensfeindliche Umgebung mit extremer Hitze herrscht. Die hohen Temperaturen deuten darauf hin, dass es keine erdähnliche Atmosphäre gibt, die das Leben, wie wir es kennen, erhalten könnte. Stattdessen könnte er eine überwiegend dicke und dichte Atmosphäre aus Treibhausgasen haben, die zu einem erheblichen Treibhauseffekt führt. Dies könnte zu einem unkontrollierten Treibhauseffekt führen, der die Oberflächentemperaturen auf ein unbewohnbares Niveau ansteigen lässt.
Hypothese 2: Die Dichte von TOI-560 c, die auf 4,004 g/cm3 geschätzt wird, deutet auf eine hohe Konzentration von schweren Elementen oder felsigem Material hin. Es ist möglich, dass der Exoplanet eine felsige Zusammensetzung hat, ähnlich wie die terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem. Die Oberfläche könnte durch zerklüftetes Terrain, felsige Formationen und möglicherweise aktive geologische Prozesse gekennzeichnet sein. Die extremen Temperaturen machen es jedoch unwahrscheinlich, dass es auf der Oberfläche des Planeten flüssiges Wasser gibt.
Hypothese 3: Trotz der unwirtlichen Bedingungen auf der Oberfläche des Planeten besteht die Möglichkeit, dass flüssiges Wasser in Form von unterirdischen Ozeanen oder tiefen Reservoirs vorhanden ist. Die hohe Dichte von TOI-560 c könnte darauf hindeuten, dass unter seiner felsigen Oberfläche eine beträchtliche Menge an Wasser eingeschlossen ist. Es ist denkbar, dass diese unterirdischen Ozeane bei Vorliegen bestimmter Bedingungen, wie geothermische Aktivität und Isolierung, einen potenziellen Lebensraum für mikrobielle Lebensformen bieten, die an extreme Umgebungen angepasst sind. Diese Organismen könnten in Umgebungen gedeihen, die den hydrothermalen Schloten in der Tiefsee oder den unterirdischen Lebensräumen der Erde ähneln.

[1] https://hackanexoplanet.esa.int/wp-content/uploads/2023/04/Hack_an_exoplanet_challenges_Czech.pdf

[2] https://hackanexoplanet.esa.int/wp-content/uploads/2023/04/Hack_an_exoplanet_challenges_Czech.pdf

TOI-560c Schlussfolgerungen

Auf der Grundlage der vorgelegten Informationen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

Der Exoplanet TOI-560 c hat einen Radius, der 2,378 Mal größer ist als der Radius der Erde (REarth). Dies deutet darauf hin, dass TOI-560 c im Vergleich zur Erde größer ist. Das ist auch der Grund, warum TOI-560 c manchmal als "Super-Erde" bezeichnet wird. Der Radius von TOI-560 c ist jedoch viel näher am Radius des Neptun (3,88 REarth). Das ist auch der Grund, warum wir in unserer Studiengruppe die Bezeichnung "Mini-Neptun" nicht ablehnen.
TOI-560 c befindet sich in einer durchschnittlichen Entfernung von 124 Astronomischen Einheiten (AE) von seinem Wirtsstern. Das bedeutet, dass er innerhalb des Planetensystems relativ nah an seinem Stern kreist. Zum Vergleich: TOI-560 c hat einen ähnlichen Bahnabstand wie Merkur (0,39 AE) oder Venus (0,72 AE). Daher können wir mit Sicherheit sagen, dass er sich nicht in der bewohnbaren Zone befindet, wenn man die Eigenschaften seines Wirtssterns berücksichtigt.
Die Dichte: Mit einer Dichte von 004 (g/cm3) weist TOI-560 c eine relativ hohe Dichte auf. Dies deutet darauf hin, dass der Exoplanet wahrscheinlich aus dichten Materialien besteht, möglicherweise auch aus schweren Elementen.
Durchschnittliche Temperatur: Die Durchschnittstemperatur auf TOI-560 c beträgt etwa 225 °C. Diese Temperatur ist deutlich höher als die Durchschnittstemperatur auf der Erde.

 

Auf der Grundlage der bereitgestellten Daten wurden die Werte für Radius, Volumen, Dichte, Temperatur, Bahndistanz und Periode für den Exoplaneten TOI-560 c ermittelt. Es scheint sich um eine lebensfeindliche Umgebung mit extremen Temperaturen und einer unwirtlichen Oberfläche zu handeln. Allerdings kann das Vorhandensein von unterirdischen Wasserreservoirs oder Ozeanen nicht völlig ausgeschlossen werden, die möglicherweise eine Nische für extremophile Lebensformen bieten könnten. Weitere wissenschaftliche Untersuchungen, einschließlich Beobachtungen und Messungen, wären notwendig, um diese Hypothesen zu bestätigen und die tatsächliche Bewohnbarkeit von TOI-560 c zu bestimmen.

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