Астрономы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для проведения более углубленных наблюдений за TOI-5205 b, гигантской экзопланетой, известной как «запретная планета», и обнаружили, что содержание тяжелых элементов в ее атмосфере необычно низкое, даже ниже, чем у родительской звезды, вокруг которой она вращается. Это открытие бросает прямой вызов традиционной теории формирования и эволюции планет.
Соответствующее исследование было опубликовано в «Астрономическом журнале» под руководством Калеба Каньяса из Центра космических полетов Годдарда НАСА при участии Шубхама Канодиа из Института науки Карнеги и многонациональной исследовательской группы.
TOI-5205 b по размеру похож на Юпитер, но его родительская звезда — красный карлик гораздо меньшего размера: ее звездный радиус примерно в четыре раза больше Юпитера, а масса — около 40% массы Солнца. Когда планета проходит перед звездой с линии зрения Земли, она блокирует около 6% светимости звезды. Ученые используют спектрометры для анализа изменений света разных длин волн во время транзита, тем самым инвертируя химический состав атмосферы планеты и делая выводы об истории ее формирования.
Согласно общепринятой теории, планеты рождаются во вращающихся дисках газа и пыли вокруг молодых звезд, а планеты-гиганты обычно развиваются в дисках, богатых веществом. Однако рядом с меньшей и более холодной звездой, такой как TOI-5205, находится огромная планета, вращающаяся по близкой орбите. Такое соотношение планет и звезд и конфигурацию орбит сложно объяснить с помощью существующих моделей, поэтому ее называют «запретной планетой».
Для систематического изучения таких «аномальных» планет Канодия, Каньяс и Джессика Либби-Робертс из Университета Тампы возглавляют реализацию одного из крупнейших проектов наблюдения экзопланет во втором цикле JWST — проекта «Красные карлики и семь гигантов», в котором особое внимание уделяется этому типу планет-гигантов, вращающихся вокруг карликов М-типа, известных под общим названием GEMS (гигантская экзопланета и М-карлик). системы).
TOI-5205 b был первоначально обнаружен спутником НАСА для исследования транзитных экзопланет (TESS) и отмечен как кандидат. Канодиа подтвердил существование планеты посредством последующих наблюдений в 2023 году и в настоящее время является одним из основных членов команды, которая использовала JWST для получения первой подробной характеристики ее атмосферы.
Анализируя данные трех транзитных событий, команда обнаружила, что содержание тяжелых элементов по отношению к водороду в атмосфере TOI-5205 b не только ниже, чем у Юпитера, но даже ниже, чем у его родительской звезды. Это противоречит тому, что люди обычно ожидают от планет-гигантов — обычно планеты-гиганты во время своего формирования обогащаются более тяжелыми элементами, поэтому их общая «металличность» имеет тенденцию быть выше, чем у звезд-хозяев. Наблюдения также обнаружили присутствие метана (CH₄) и сероводорода (H₂S) в атмосфере планеты, что дало дополнительные сведения о ее химической структуре.
Чтобы понять наблюдаемое явление «бедности металлов» в атмосфере, Саймон Мюллер и Равит Хеллед из Цюрихского университета использовали модели внутренней структуры планеты, чтобы определить общий состав TOI-5205 b. Результаты показывают, что общая «металличность» планеты, вероятно, примерно в 100 раз превышает состав атмосферы, измеренный транзитными методами. Короче говоря, недра планеты богаты тяжелыми элементами, но эти тяжелые элементы не смешиваются эффективно с атмосферой.
Канодиа, соавтор статьи, объяснил, что существует явный разрыв между общим содержанием металлов, ожидаемым моделью, и наблюдаемым содержанием металлов в атмосфере, что позволяет предположить, что в процессе формирования планеты тяжелые элементы имеют тенденцию мигрировать внутрь и «запираются» в глубоких недрах, а эффективность смешивания материала с внешней атмосферой низкая. Основываясь на различных доказательствах, команда считает, что TOI-5205 b имеет аномальную атмосферную среду, которая «богата углеродом и бедна кислородом».
При обработке данных исследователи также специально учитывали влияние солнечных пятен родительской звезды. Более темные области на поверхности этих звезд будут тонким образом изменять наблюдаемые спектральные характеристики: усиливать относительную интенсивность определенных полос и маскировать потенциальные атмосферные сигналы. Если не исправить это, легко исказить определение состава атмосферы. Уоллак и Канодиа в настоящее время дополнительно проверяют этот метод коррекции в новом наблюдении JWST, надеясь обеспечить более надежную основу для наблюдения и анализа для будущих исследований атмосфер планет вокруг высокоактивных звезд.
Это исследование является частью исследовательской программы GEMS. Цель состоит в том, чтобы систематически наблюдать за транзитными планетами-гигантами, вращающимися вокруг карликовых звезд М-типа, и выяснить процессы их формирования, внутреннюю структуру и свойства атмосфер. В состав участвующей команды также входят астрономы Института науки Карнеги Питер Гао, Джоанна Теске и Николь Уоллак, а также Анджали Пиетт, ныне преподаватель и бывший научный сотрудник Карнеги.