Estudio de la habitabilidad de los exoplanetas a partir de la extensión de la función de Cobb-Douglas

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

This work, part of the undergraduate program in physics, aimed to extend the habitability model based on the Cobb–Douglas function by incorporating exoplanet orbital elements. Using a mathematical, computational, and astrobiological approach, a tool was developed to more accurately assess the habitability of exoplanets. The habitability of an exoplanet depends on several physical factors simultaneously, such as radius, mass, etc. The Cobb–Douglas function allows these parameters to be combined in a multiplicative and weighted manner, reflecting their relative contribution to a single numerical index. This study proposes a quantitative model for assessing the habitability of exoplanets using a Cobb–Douglas function of multiple planetary variables, grouped into three dimensions: interior (radius and density), surface (escape velocity and temperature), and periphery (eccentricity and orbital period). Each subscript was normalized to Earth units and weighted according to its physical relevance: 0.4 for interior, 0.5 for surface, and 0.1 for periphery. The function was applied under the optimization process in terms of parameters under constraints called decreasing returns to scale (DRS) and constant returns to scale (CRS), using the fmincon algorithm, ensuring its concavity and global optimization. Twenty-nine potentially habitable exoplanets were identified under constant yields, of which 21 coincide with the Habitable Worlds Catalog, and 47 under decreasing yields, with 30 coincidences. In addition, a strong correlation (r = 0.89) was observed between mass and escape velocity, confirming their gravitational link. The model was validated using the k-NN algorithm (k = 5), showing local consistency between similar planets.

Descripción

Este trabajo es para obtener el título de pregrado en el programa de licenciatura en física, tuvo como objetivo principal extender el modelo de habitabilidad basado en la función de Cobb–Douglas, incorporando elementos orbitales de los exoplanetas. A partir de un enfoque matemático, computacional y astrobiológico, se construyó una herramienta que permite evaluar, con mayor precisión la habitabilidad de exoplanetas. La habitabilidad de un exoplaneta depende de varios factores físicos simultáneamente, como el radio, masa, etc, la función Cobb–Douglas permite combinar estos parámetros de forma multiplicativa y ponderada, reflejando su contribución relativa a un solo índice numérico. Este estudio propone un modelo cuantitativo para evaluar la habitabilidad de exoplanetas utilizando una función Cobb–Douglas de múltiples variables planetarias, agrupadas en tres dimensiones: interior (radio y densidad), superficie (velocidad de escape y temperatura) y periferia (excentricidad y periodo orbital). Cada subíndice fue normalizado a unidades terrestres y ponderado según su relevancia física: 0.4 para interior, 0.5 para superficie y 0.1 para periferia. La función se aplicó bajo el proceso de optimización en términos de unos parámetros bajo unas ligaduras llamadas retornos a escala (Decreasing returns to scale (DRS) y Constant returns to scale (CRS)), mediante el algoritmo fmincon, garantizando su concavidad y optimización global. Se identificaron 29 exoplanetas potencialmente habitables bajo rendimientos constantes, de los cuales 21 coinciden con el Catálogo de Mundos Habitables, y 47 bajo rendimientos decrecientes, con 30 coincidencias. Además, se observó una fuerte correlación (r = 0.89) entre masa y velocidad de escape, confirmando su vínculo gravitacional. El modelo fue validado mediante el algoritmo k-NN (k = 5), mostrando coherencia local entre planetas similares.

Palabras clave

Habitabilidad exoplanetaria, Exoplanetas, Función Cobb–Douglas, Retornos a escala, K-NN (K-vecinos más cercanos), Similitud terrestre y optimización cóncava

Materias

Licenciatura en Física -- Tesis y disertaciones académicas

Citación