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

dc.contributor.advisorMonroy Cañón, Ignacio Alberto
dc.contributor.authorCedeño Trejos, Juan Pablo
dc.contributor.orcidMonroy Cañón, Ignacio Alberto [0009-0005-9733-6276]
dc.date.accessioned2025-11-29T18:59:24Z
dc.date.available2025-11-29T18:59:24Z
dc.date.created2025-10-21
dc.descriptionEste 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.
dc.description.abstractThis 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.
dc.format.mimetypepdf
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11349/99989
dc.language.isospa
dc.publisherUniversidad Distrital Francisco José de Caldas
dc.relation.referencesAvvakumov, S., Yuri, K., Orlov, M., & Taras’ev, A. (2010). Profit maximization problem for Cobb–Douglas and CES production functions. Computational Mathematics and Modeling, 21 (3), 336–378. https: //doi.org/10.1007/s10598-010-9075-5
dc.relation.referencesBora, K., Saha, S., Agrawal, S., Safonova, M., Routh, S., & Narasimhamurthy, A. (2016). CD-HPF: New Habitability Score via Data Analytic Modeling. Astronomy and Computing, 17, 129–143. https://doi.org/10.1016/j.ascom.2016.08.001
dc.relation.referencesCardona, G., Reyes, J., & Monroy, I. A. (2023). Analysis of the K-Factor in the COBB- DOUGLAS Habitability Function for Exoplanets from the Buckingham Theorem. Revista Mexicana de Astronomia y Astrofisica Conference Series, 55, 95–95. https://doi.org/10.22201/ia.14052059p.2023.55.31
dc.relation.referencesHeller, R., & Armstrong, J. (2014). Superhabitable Worlds. Astrobiology, 14 (1), 50–66. https://doi.org/10. 1089/ast.2013.1088
dc.relation.referencesLingam, M., & Loeb, A. (2019). Colloquium: Physical Constraints for the Evolution of Life on Exoplanets. Reviews of Modern Physics, 91 (2), 021002–021021. https://doi.org/10.1103/revmodphys.91.021002
dc.relation.referencesLiu, B., Marsh, D. R., Walsh, C., Cooke, G., & Sainsbury-Martinez, F. (2024). Eccentric orbits may enhance the habitability of Earth-like exoplanets. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 532 (4), 4511–4523. https://doi.org/10.1093/mnras/stae1758
dc.relation.referencesNASA Exoplanet Archive. (s.f.). NASA Exoplanet Archive A service of NASA Exoplanet Science Institute [Recuperado el 29 de mayo de 2025]. https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/index.html
dc.relation.referencesNASA Science. (s.f.-a). Exoplanets [Recuperado el 14 de noviembre de 2024]. https://science.nasa.gov/ exoplanets/
dc.relation.referencesNASA Science. (s.f.-b). Kepler/K2 [Recuperado el 14 de noviembre de 2024]. https://science.nasa.gov/ mission/kepler
dc.relation.referencesNASA Science. (s.f.-c). Proxima Centauri b - Exoplanet Catalog [Imagen recuperada el 14 de noviembre de 2024]. https://science.nasa.gov/exoplanet-catalog/proxima-centauri-b/
dc.relation.referencesNASA Science. (s.f.-d). What is an exoplanet [Recuperado el 14 de noviembre de 2024]. https://science.nasa. gov/exoplanets/planet-types/
dc.relation.referencesPalubski, I. Z., Shields, A. L., & Deitrick, R. (2020). Habitability and Water Loss Limits on Eccentric Planets Orbiting Main-sequence Stars. The Astrophysical Journal, 890 (1), 30. https://doi.org/10.3847/1538- 4357/ab66b2
dc.relation.referencesPerryman, M. (2018). The Exoplanet Handbook (2nd ed.). Cambridge: Cambridge University Press. https: //doi.org/10.1017/9781108304160
dc.relation.referencesPindyck, R. S., & Rubinfeld, D. L. (2009). Microeconomía (7th ed.). Pearson Educación.
dc.relation.referencesPlanetary Habitability Laboratory. (s.f.). HABITABLE WORLDS CATALOG A Database of Potentially Habitable Worlds [Recuperado el 29 de mayo de 2025]. https://phl.upr.edu/hwc
dc.relation.referencesRobinson, T. D. (2024). Characterizing Exoplanet Habitability [Springer]. Handbook of Exoplanets, 5, 1–21. https://doi.org/10.48550/arXiv.1701.05205
dc.relation.referencesSchulze-Makuch, D., Méndez, A., Fairén, A. G., von Paris, P., Turse, C., Boyer, G., Davila, A. F., António, M. R., Catling, D., & Irwin, L. N. (2011). A Two-Tiered Approach to Assessing the Habitability of Exoplanets. Astrobiology, 11 (10), 1041–1052. https://doi.org/10.1089/ast.2010.0592
dc.rights.accesoAbierto (Texto Completo)
dc.rights.accessrightsOpenAccess
dc.subjectHabitabilidad exoplanetaria
dc.subjectExoplanetas
dc.subjectFunción Cobb–Douglas
dc.subjectRetornos a escala
dc.subjectK-NN (K-vecinos más cercanos)
dc.subjectSimilitud terrestre y optimización cóncava
dc.subject.keywordExoplanetary habitability
dc.subject.keywordExoplanets
dc.subject.keywordCobb–Douglas function
dc.subject.keywordReturns to scale
dc.subject.keywordK-Nearest Neighbors (K-NN)
dc.subject.keywordEarth similarity y concave optimization
dc.subject.lembLicenciatura en Física -- Tesis y disertaciones académicas
dc.titleEstudio de la habitabilidad de los exoplanetas a partir de la extensión de la función de Cobb-Douglas
dc.title.titleenglishStudy of the habitability of exoplanets based on the extension of the Cobb-Douglas function
dc.typebachelorThesis
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1f
dc.type.degreeMonografía
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis

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