Projektigalleria 2023

Exoti

Evangelická Akademie Praha  Praha -    Tšekin tasavalta 17-vuotias, 15-vuotias   4 / 2

TOI-560c

TOI-560c-hankkeen kuvaus:

Tässä työssä keskitytään eksoplaneetta TOI-560 c:hen (jota kutsutaan mini-Neptunukseksi tai supermaaksi), joka on toinen K-tyypin kääpiötähteä TOI-560 kiertävistä kahdesta eksoplaneetasta ja joka havaittiin CHEOPS-avaruusteleskoopin (CHaracterising ExOPlanets Satellite) kauttakulkumenetelmällä. Tutkimuksemme tavoitteena oli laskea tämän eksoplaneetan perusominaisuudet, kuten sen säde, massa, kiertorataetäisyys, kiertoaika, tiheys ja keskilämpötila. Näiden tulosten perusteella pyritään selvittämään, täyttääkö tämä eksoplaneetta maapallon kaltaisen elämän olemassaololle välttämättömät edellytykset. Saatavilla olevien tietojen perusteella pidetään epätodennäköisenä, että TOI-560 c:llä olisi Maan kaltaista elämää.

Exoplaneetta TOI-560 c:n säteen laskemiseksi käytetään transit-menetelmää, jossa planeetan kulkua isäntätähtensä ohi tarkkaillaan. Määritetään planeetan keskimääräinen säde verrattuna Maan säteeseen. Keskimääräinen kiertomatka ja kiertoaika laskettiin Keplerin lakien avulla. Exoplaneetan TOI-560 c tiheys saatiin arvioituun säteeseen perustuvista tilavuus- ja massa-arvoista.

Tulokset osoittavat, että eksoplaneetan TOI-560 c säde on noin 2,37 kertaa Maan sädettä suurempi, massa noin 9,7 kertaa Maan massaa suurempi, keskimääräinen kiertorataetäisyys noin 0,124 AU ja kiertoaika noin 18,88 päivää. Eksoplaneetan arvioitu tiheys on noin 4,004 g/cm3 ja keskilämpötila on arviolta 225 °C.

TOI-560c Tulokset ja analyysi

1. Tietojen analysointi
Analyysin tavoitteena on määrittää eksoplaneetan TOI-560 c säde, kiertoaika, etäisyys tähdestä ja tiheys. Laskentamenetelmät esitetään seuraavissa jaksoissa.
3.1. TOI-560 c:n säde
Planeetan säteen määrittämiseksi oli tarpeen tietää läpikulun syvyys (eli tähden TOI-560 kirkkauden prosentuaalinen väheneminen, kun TOI-560 c -planeetta sijaitsi havaitsijan ja tähden välissä). Laskelmissamme tämä arvioitiin 0,2%:ksi.

Tämän jälkeen analyysi suoritetaan kaavalla:

(1.1)

R tarkoittaa sädettä, p tarkoittaa eksoplaneettaa (TOI-560 c) ja s tarkoittaa sen tähteä (TOI-560).

Seuraavassa on muutettu säteen laskentakaavaa:

(1.2)

Tunnetut arvot korvataan kaavalla (3.2.):

Seuraavassa on säteen laskelmat.

 

 

 

 
(1.3)

Kuva 2: TOI-560 c:n [[1]] transit-valokäyrä.

Läpikulkusyvyyden epätarkan arvioinnin vuoksi tuloksemme osoittautui kuitenkin hieman suuremmaksi kuin se todellisuudessa oli Läpikulkusyvyyden epätarkan arvioinnin vuoksi tuloksemme osoittautui hieman suuremmaksi kuin se todellisuudessa oli. Allesfitter-ohjelmassa saatuihin arvoihin viitaten korjasimme tuloksemme REarthiin, ja tätä arvoa käytetään jatkolaskelmien perustana.

3.2. Kiertoaika

Kiertoaikaa laskettaessa oli tarpeen tietää gravitaatiovakio (G) ja Auringon massa (MS).

Löysimme molemmat arvot Hack an Exoplanet -sivustolta[[1]]. Käyttämämme arvot ovat seuraavat:

(1.4)

 

 
(1.5)

Allesfitter-ohjelmasta saaduista arvoista määritettiin TOI-560 c:n kiertoaika (18,8797 päivää). Jatkolaskelmia varten tämä arvo muunnetaan sekunneiksi (1631206,082 s).

Näitä arvoja käytettiin sitten kaavassa

(1.6)

jossa d edustaa kiertoradan etäisyyttä.

Kaavan työstäminen eteni seuraavasti:

(1.7)

 

(1.8)

 

(1.9)

Kuva 3: Malli TOI-560 c:n kiertoradasta tähden TOI-560 ympärillä (sininen piste keltaisessa suorakulmiossa edustaa TOI-560 c:tä) [[1]]

(1.10)

Laskelmien perusteella tulokseksi saadaan 0,124 AU, joka on lyhyempi etäisyys verrattuna Maan etäisyyteen Auringosta (1 AU). TOI-560 c:hen liittyvien arvojen vertailu aurinkokunnan planeettoihin liittyviin arvoihin käsitellään tutkimuksen myöhemmässä osassa. Tässä vaiheessa on aiheellista mainita, että kiertoaikojen ja isäntätähden etäisyyden perusteella voidaan päätellä, että TOI-560 c on hyvin lähellä tähteään eikä sijaitse elinkelpoisella vyöhykkeellä (kuva 3).
3.3. Lämpötila
TOI-560 c:n keskilämpötila määritettiin CHEOPS-teleskoopilla saaduista tiedoista, jotka on julkaistu Hack an Exoplanet -sivustolla [[2]]. TOI-560 c:n keskimääräinen lämpötila on noin 225 °C. Tämä ylittää huomattavasti lähes kaikkien aurinkokunnan planeettojen lämpötilat, lukuun ottamatta mahdollisesti Venusta, jonka keskilämpötila on noin 565 °C. Tämä on kuitenkin huomattavasti korkeampi kuin aurinkokunnan muiden planeettojen lämpötila. TOI-560 c:n lämpötila on lähellä Merkuriuksen lämpötilaa, jossa keskilämpötila on jopa 167 °C. Tällainen lämpötila on epäsuotuisa maapallon kaltaiselle elämälle, sillä maapallon keskilämpötila on noin 17 °C. Lisäksi TOI-560 c:lle määrittämämme lämpötila ylittää veden kiehumispisteen (125 °C). Yksi ratkaiseva tekijä on ilmakehän paine. Aineen kiehumispiste riippuu sen lämpötilan lisäksi myös siihen kohdistuvasta paineesta. Maapallolla merenpinnan korkeudella ilmanpaine on noin 1 ilmakehä, jolloin vesi kiehuu 100 °C:ssa. TOI-560 c:llä ilmakehän olosuhteet ja koostumus ovat kuitenkin huomattavasti erilaiset. Jos ilmakehän paine on huomattavasti korkeampi kuin Maassa, vesi tarvitsee korkeamman lämpötilan saavuttaakseen kiehumispisteensä. Aineen kiehumispiste on lämpötila, jossa sen höyrynpaine on yhtä suuri kuin siihen vaikuttava ulkoinen paine. Jos ulkoinen paine on korkeampi, kuten TOI-560 c:llä, veden kiehumispiste on vastaavasti korkeampi.

Tämä on merkittävä haaste maapallon kaltaisen elämän syntymiselle.

Tämä päätelmä ei kuitenkaan ole täysin lopullinen tai ratkaiseva. Planeetan pinnan epäsuotuisista olosuhteista huolimatta on mahdollista, että nestemäistä vettä on olemassa pinnanalaisina valtamerinä tai syvissä säiliöissä. TOI-560 c:n suuri tiheys (ks. 3.4. Tiheys) voisi viitata siihen, että sen kivisen pinnan alle on lukittunut huomattava määrä vettä.

 

Kuva 4: Tiedot (lämpötila) Hack an exoplanet -sivustolta [1].

3.4. Tiheys
Planeetan tiheyden laskemiseksi oli tarpeen määrittää sen tilavuus. Tilavuus lasketaan kaavalla

(1.11)

jossa RP on TOI-560 c:n säde.

Kerroimme RP = 2,37 REarth = 6378 km:llä ja muutimme sen perusyksiköihin. Tästä saimme Rp:n arvon.

(1.12)

Korvasimme tämän arvon edellä mainittuun kaavaan (3.11),

(1.13)

 

Kaava näytti silloin seuraavalta:

(1.14)

Tämän jälkeen tilavuusarvo korvattiin tiheyden laskentakaavalla,

(1.15)

jossa 𝜌 edustaa tiheyttä, M edustaa massaa, V edustaa tilavuutta ja p edustaa eksoplaneettaa (TOI-560 c).

Laskelma tehtiin (3.14) mukaisesti seuraavasti:

(1.16)

 

(1.17)

1.1. Tulokset
Taulukko 1: Tutkimuksen tulokset

Nimi
TOI-560 c

Säde
2.378 REarth

Kiertoradan etäisyys
0,124 AU

Kiertoaika
18.8797 päivää

Tiheys
4,004 g/cm3

Keskilämpötila
225 celsiusastetta

 

 

 

 

 

 

 

 

Exoplaneetasta TOI-560 c saatujen tietojen perusteella voidaan esittää hypoteeseja sen ulkonäöstä ja mahdollisesta asuttavuudesta.

 

Hypoteesi 1: Kun otetaan huomioon 225 celsiusasteen keskilämpötila, on todennäköistä, että TOI-560 c:llä on vihamielinen ympäristö, jossa vallitsee äärimmäinen kuumuus. Korkeat lämpötilat viittaavat siihen, että maapallon kaltaista ilmakehää, joka voisi ylläpitää elämää sellaisena kuin me sen tunnemme, ei ole. Sen sijaan sillä saattaa olla pääasiassa paksu ja tiheä ilmakehä, joka koostuu kasvihuonekaasuista, mikä johtaa merkittävään kasvihuoneilmiöön. Tämä voi johtaa kasvihuoneilmiön karkaamiseen, jolloin pintalämpötilat nousevat asumiskelvottomalle tasolle.
Hypoteesi 2: TOI-560 c:n tiheys, joka on arviolta 4,004 g/cm3 , viittaa korkeaan raskaiden alkuaineiden tai kiviaineksen pitoisuuteen. On mahdollista, että eksoplaneetalla on samanlainen kivinen koostumus kuin aurinkokuntamme maanpäällisillä planeetoilla. Pinnalla voi olla karua maastoa, kivisiä muodostumia ja mahdollisesti aktiivisia geologisia prosesseja. Äärimmäisten lämpötilojen vuoksi on kuitenkin epätodennäköistä, että planeetan pinnalla olisi nestemäistä vettä.
Hypoteesi 3: Huolimatta planeetan pinnan epäsuotuisista olosuhteista on mahdollista, että nestemäistä vettä on olemassa pinnanalaisina valtamerinä tai syvissä säiliöissä. TOI-560 c:n suuri tiheys voisi viitata siihen, että sen kivisen pinnan alle on lukittunut huomattava määrä vettä. On mahdollista, että jos tietyt olosuhteet, kuten geoterminen aktiivisuus ja eristys, täyttyvät, nämä pinnanalaiset valtameret voisivat tarjota potentiaalisen elinympäristön äärimmäisiin ympäristöihin sopeutuneille mikrobiologisille elämänmuodoille. Nämä organismit voisivat menestyä maapallon syvänmeren hydrotermisiin aukkoihin tai maanalaisiin elinympäristöihin verrattavissa ympäristöissä.

[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 Päätelmät

Toimitettujen tietojen perusteella voidaan tehdä seuraavat päätelmät:

Exoplaneetta TOI-560 c:n säde on 2,378 kertaa suurempi kuin Maan säde (REarth). Tämä viittaa siihen, että TOI-560 c on kooltaan suurempi kuin Maa. Tämä on myös syy siihen, miksi TOI-560 c:stä käytetään joskus nimitystä "Super-Maa". TOI-560 c:n säde on kuitenkin paljon lähempänä Neptunuksen sädettä (3,88 REarth). Siksi emme myöskään vastusta tutkimusryhmässämme nimitystä "Mini-Neptunus".
TOI-560 c sijaitsee keskimäärin 124 astronomisen yksikön (AU) etäisyydellä isäntätähdestään. Tämä osoittaa, että se kiertää suhteellisen lähellä tähteään planeettajärjestelmässä. Vertailun vuoksi mainittakoon, että TOI-560 c:n kiertoradan etäisyys on samanlainen kuin Merkuriuksen (0,39 AU) tai Venuksen (0,72 AU). Voimme siis luottavaisin mielin todeta, että se ei sijaitse elinkelpoisella vyöhykkeellä, kun otetaan huomioon sen isäntätähden molemmat ominaisuudet.
Tiheys: TOI-560 c:n tiheys on 004 (g/cm3), joten sen tiheys on suhteellisen korkea. Tämä viittaa siihen, että eksoplaneetta koostuu todennäköisesti tiheästä materiaalista, mahdollisesti myös raskaista alkuaineista.
Keskilämpötila: TOI-560 c:n keskilämpötila on noin 225 °C. Tämä lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin Maan keskilämpötila.

 

Toimitettujen tietojen perusteella exoplaneetalle TOI-560 c on annettu säteen, tilavuuden, tiheyden, lämpötilan, kiertoradan etäisyyden ja jakson arvot. Exoplaneetta TOI-560 c vaikuttaa olevan vihamielinen ympäristö, jossa on äärimmäiset lämpötilat ja epäsuotuisa pinta. Ei voida kuitenkaan täysin sulkea pois mahdollisuutta, että planeetalla on maanalaisia vesivarastoja tai valtameriä, jotka voisivat tarjota tilaa extremofiilisille elämänmuodoille. Tieteellinen lisätutkimus, mukaan lukien havainnot ja mittaukset, olisi tarpeen näiden hypoteesien vahvistamiseksi ja TOI-560 c:n todellisen asuttavuuden määrittämiseksi.

Kaikki hankkeet