Projectgalerij 2023

Exoti

Evangelische Academie Praag  Praag -    Tsjechië 17 jaar, 15 jaar   4 / 2

TOI-560c

TOI-560c projectbeschrijving:

Dit werk richt zich op de exoplaneet TOI-560 c (ook wel mini-Neptunus of superaarde genoemd), een van de twee exoplaneten die rond de K-type dwergster TOI-560 draaien. Deze exoplaneet werd waargenomen met de transitmethode met de CHaracterising ExOPlanets Satellite (CHEOPS) ruimtetelescoop. Het doel van ons onderzoek was om de fundamentele eigenschappen van deze exoplaneet te berekenen, waaronder zijn straal, massa, baanafstand, baanperiode, dichtheid en gemiddelde temperatuur. Op basis van deze bevindingen is het werk erop gericht om te bepalen of deze exoplaneet voldoet aan de voorwaarden die nodig zijn voor het bestaan van leven dat vergelijkbaar is met leven op aarde. Op basis van de beschikbare informatie wordt het bestaan van leven vergelijkbaar met dat op aarde op TOI-560 c onwaarschijnlijk geacht.

Om de straal van de exoplaneet TOI-560 c te berekenen, wordt de transitmethode gebruikt, waarbij de planeet voor zijn ster langs beweegt. De gemiddelde straal van de planeet in vergelijking met de straal van de aarde is bepaald. De gemiddelde baanafstand en baanperiode werden berekend met behulp van de wetten van Kepler. De dichtheid van de exoplaneet TOI-560 c werd verkregen uit de waarden voor volume en massa op basis van de geschatte straal.

De resultaten geven aan dat de exoplaneet TOI-560 c een straal heeft die ongeveer 2,37 keer zo groot is als de straal van de aarde, een massa die ongeveer 9,7 keer zo groot is als die van de aarde, een gemiddelde baanafstand van ongeveer 0,124 AE en een baanperiode van ongeveer 18,88 dagen. De geschatte dichtheid van de exoplaneet is ongeveer 4,004 g/cm3 en de gemiddelde temperatuur wordt geschat op 225°C.

TOI-560c Resultaten en analyse

1. Gegevensanalyse
Het doel van de analyse is het bepalen van de straal van de exoplaneet TOI-560 c, zijn omlooptijd, afstand tot zijn ster en zijn dichtheid. De berekeningsmethoden worden in de volgende paragrafen gegeven.
3.1. De straal van TOI-560 c
Om de straal van de planeet te bepalen, was het nodig om de diepte van de overgang te kennen (dat wil zeggen, de procentuele afname in de helderheid van de ster TOI-560 wanneer de planeet TOI-560 c zich tussen de waarnemer en zijn ster bevond). In onze berekeningen werd dit geschat op 0,2%.

Vervolgens wordt de analyse voortgezet met de formule:

(1.1)

R staat voor straal; p staat voor de exoplaneet (TOI-560 c) en s staat voor de ster (TOI-560).

Hieronder volgt een aanpassing van de formule voor het berekenen van de straal:

(1.2)

De bekende waarden worden gesubstitueerd in de formule (3.2.):

Berekeningen van de straal zijn als volgt.

 

 

 

 
(1.3)

Figuur 2: Lichtcurve van de transit van de TOI-560 c [[1]].

Door de onnauwkeurige schatting van de procentuele transitdiepte bleek ons resultaat echter iets hoger uit te vallen dan het in werkelijkheid was. Verwijzend naar de waarden verkregen in het Allesfitter programma, hebben we ons resultaat aangepast naar REarth, en deze waarde is gebruikt als basis voor verdere berekeningen.

3.2. Omlooptijd

Voor de berekening van de omlooptijd was het nodig om de gravitatieconstante (G) en de massa van de zon (MS) te kennen.

We hebben beide waarden gevonden op de Hack an Exoplanet website[[1]]. De waarden waarmee we hebben gewerkt zijn als volgt:

(1.4)

 

 
(1.5)

Uit de waarden verkregen uit het Allesfitter-programma is de omlooptijd van TOI-560 c (18,8797 dagen) bepaald. Voor verdere berekeningen is deze waarde omgerekend naar seconden (1631206,082 s).

Deze waarden werden vervolgens gebruikt in de formule

(1.6)

waarbij d de baanafstand voorstelt.

Het werk met de formule ging als volgt:

(1.7)

 

(1.8)

 

(1.9)

Figuur 3: Het model van de baan van TOI-560 c rond de ster TOI-560 (de blauwe stip in de gele rechthoek stelt TOI-560 c voor) [[1]].

(1.10)

Uit de berekeningen komt een resultaat van 0,124 AE, wat een kortere afstand is vergeleken met de afstand van de Aarde tot de Zon (1 AE). De vergelijking van waarden met betrekking tot TOI-560 c met die van planeten in het zonnestelsel zal in een later deel van de studie worden behandeld. Op dit moment is het goed om te vermelden dat op basis van de omlooptijd en de afstand tot de gastheerster kan worden afgeleid dat TOI-560 c zeer dicht bij zijn ster staat en zich niet in de bewoonbare zone bevindt (figuur 3).
3.3. Temperatuur
De gemiddelde temperatuur op TOI-560 c is bepaald aan de hand van de beschikbare gegevens van de CHEOPS-telescoop, zoals vermeld op de Hack an Exoplanet-website [[2]]. De gemiddelde temperatuur op TOI-560 c is ongeveer 225°C. Dit is beduidend hoger dan de temperaturen van bijna alle planeten in het zonnestelsel, met de mogelijke uitzondering van Venus, waar de gemiddelde temperatuur rond de 565°C ligt. De temperatuur van TOI-560 c ligt dicht bij die van Mercurius, waar de gemiddelde temperatuur 167°C bedraagt. Een dergelijke temperatuur is onherbergzaam voor leven zoals op Aarde, aangezien de gemiddelde temperatuur op Aarde rond de 17°C schommelt. Bovendien is de temperatuur die we hebben vastgesteld voor TOI-560 c hoger dan het kookpunt van water (125°C). Een cruciale factor is de atmosferische druk. Het kookpunt van een stof hangt niet alleen af van de temperatuur, maar ook van de druk die erop wordt uitgeoefend. Op aarde, op zeeniveau, is de atmosferische druk ongeveer 1 atmosfeer, waardoor water kan koken bij 100°C. Op TOI-560 c zijn de atmosferische omstandigheden en de samenstelling echter aanzienlijk anders. Als de atmosferische druk aanzienlijk hoger is dan op aarde, heeft water een hogere temperatuur nodig om zijn kookpunt te bereiken. Het kookpunt van een stof is de temperatuur waarbij de dampdruk gelijk is aan de externe druk die erop werkt. Als de externe druk hoger is, zoals het geval zou kunnen zijn op TOI-560 c, zou het kookpunt van water navenant hoger zijn.

Dit vormt een belangrijke uitdaging voor het ontstaan van leven zoals op aarde.

Toch is deze conclusie niet helemaal definitief of sluitend. Ondanks de onherbergzame omstandigheden aan het oppervlak van de planeet, bestaat de mogelijkheid dat er vloeibaar water aanwezig is in de vorm van oceanen onder het oppervlak of diepe reservoirs. De hoge dichtheid (zie 3.4. Dichtheid) van TOI-560 c zou kunnen wijzen op de aanwezigheid van een aanzienlijke hoeveelheid water onder het rotsachtige oppervlak.

 

Figuur 4: Gegevens (temperatuur) van de Hack an exoplanet website [1]

3.4. Dichtheid
Om de dichtheid van de planeet te berekenen, was het nodig om het volume te bepalen. Het volume wordt berekend met de formule

(1.11)

waarbij RP staat voor de straal van TOI-560 c.

We vermenigvuldigden RP =2,37 met REarth = 6378 km om het om te rekenen naar basiseenheden. Hieruit verkregen we de waarde van Rp.

(1.12)

We hebben deze waarde gesubstitueerd in de eerder genoemde formule (3.11),

(1.13)

 

De formule zag er toen als volgt uit:

(1.14)

De volumewaarde werd vervolgens gesubstitueerd in de formule voor het berekenen van de dichtheid,

(1.15)

waarbij 𝜌 staat voor de dichtheid, M voor de massa, V voor het volume en p voor de exoplaneet (TOI-560 c).

De berekening ging als volgt volgens (3.14):

(1.16)

 

(1.17)

1.1. Resultaten
Tabel 1: Resultaten van het onderzoek

Naam
TOI-560 c

Straal
2.378 AARDE

Orbitale afstand
0,124 AU

Omlooptijd
18,8797 dagen

Dichtheid
4,004 g/cm3

Gemiddelde temperatuur
225 graden Celsius

 

 

 

 

 

 

 

 

Op basis van de verstrekte informatie over exoplaneet TOI-560 c kunnen hypotheses worden voorgesteld over het uiterlijk en de mogelijke bewoonbaarheid.

 

Hypothese 1: Gezien de gemiddelde temperatuur van 225 graden Celsius is het waarschijnlijk dat TOI-560 c een vijandige omgeving heeft met extreme hitte. De hoge temperaturen suggereren de afwezigheid van een aardse atmosfeer die in staat is het leven zoals wij dat kennen in stand te houden. In plaats daarvan heeft het misschien een overwegend dikke en dichte atmosfeer die bestaat uit broeikasgassen, wat leidt tot een aanzienlijk broeikaseffect. Dit zou kunnen leiden tot een op hol geslagen broeikaseffect, waardoor de oppervlaktetemperaturen stijgen tot onbewoonbare niveaus.
Hypothese 2: De dichtheid van TOI-560 c, geschat op 4,004 g/cm3, suggereert een hoge concentratie zware elementen of rotsachtige materialen. Het is mogelijk dat de exoplaneet een rotsachtige samenstelling heeft die vergelijkbaar is met aardse planeten in ons zonnestelsel. Het oppervlak kan worden gekenmerkt door ruig terrein, rotsachtige formaties en mogelijk actieve geologische processen. De extreme temperaturen maken het echter onwaarschijnlijk dat er vloeibaar water op het oppervlak van de planeet voorkomt.
Hypothese 3: Ondanks de onherbergzame omstandigheden aan het oppervlak van de planeet bestaat de mogelijkheid dat er vloeibaar water aanwezig is in de vorm van oceanen aan de oppervlakte of diepe reservoirs. De hoge dichtheid van TOI-560 c zou kunnen wijzen op de aanwezigheid van een aanzienlijke hoeveelheid water onder het rotsachtige oppervlak. Het is denkbaar dat, als aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan, zoals geothermische activiteit en isolatie, deze ondergrondse oceanen een potentiële habitat vormen voor microbiële levensvormen die zich hebben aangepast aan extreme omgevingen. Deze organismen zouden kunnen gedijen in omgevingen die verwant zijn aan de diepzee hydrothermale bronnen of ondergrondse habitats op aarde.

[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 Conclusies

Op basis van de verstrekte informatie zijn de volgende conclusies getrokken:

De exoplaneet TOI-560 c heeft een straal die 2,378 keer groter is dan de straal van de aarde (REarth). Dit suggereert dat TOI-560 c groter is dan de aarde. Dat is ook de reden waarom TOI-560 c soms een "Super-Aarde" wordt genoemd. De straal van TOI-560 c ligt echter veel dichter bij de straal van Neptunus (3,88 REarth). Dat is ook de reden waarom we in onze studiegroep geen bezwaar hebben tegen de aanduiding "Mini-Neptunus".
TOI-560 c bevindt zich op een gemiddelde afstand van 124 astronomische eenheden (AE) van zijn ster. Dit geeft aan dat hij binnen het planetenstelsel relatief dicht bij zijn ster draait. Ter referentie: TOI-560 c heeft een vergelijkbare baanafstand als Mercurius (0,39 AE) of Venus (0,72 AE). Daarom kunnen we met een gerust hart stellen dat hij zich niet in de bewoonbare zone bevindt, gezien de eigenschappen van zijn gastheerster.
Dichtheid: Met een dichtheid van 004 (g/cm3) heeft TOI-560 c een relatief hoge dichtheid. Dit suggereert dat de exoplaneet waarschijnlijk bestaat uit dichte materialen, waaronder mogelijk zware elementen.
Gemiddelde temperatuur: De gemiddelde temperatuur op TOI-560 c is ongeveer 225 °C. Deze temperatuur is aanzienlijk hoger dan de gemiddelde temperatuur op aarde.

 

Op basis van de verstrekte gegevens werden de waarden van de straal, het volume, de dichtheid, de temperatuur, de baanafstand en de periode gegeven voor exoplaneet TOI-560 c. Het lijkt een vijandige omgeving te zijn met extreme temperaturen en een onherbergzaam oppervlak. De aanwezigheid van ondergrondse waterreservoirs of oceanen kan echter niet volledig worden uitgesloten, waardoor mogelijk een niche ontstaat voor extremofiele levensvormen. Verder wetenschappelijk onderzoek, inclusief waarnemingen en metingen, is nodig om deze hypotheses te valideren en de feitelijke bewoonbaarheid van TOI-560 c vast te stellen.

Alle projecten