Exoplaneta „interzisă” TOI-5205 b pune la îndoială teoriile despre nașterea planetelor gigante

Sursa foto: Sciencedaily

O descoperire realizată cu telescopul spațial James Webb (JWST) zguduie în mod fundamental înțelegerea formării planetelor gigante: TOI-5205 b, o lume de dimensiunile lui Jupiter care se rotește în jurul unei stele mult mai mici, are o atmosferă cu mai puține elemente grele decât propriul său Soare. Rezultatele, publicate în The Astronomical Journal, provin dintr-un efort internațional condus de Caleb Cañas de la NASA Goddard Space Flight Center și implică membri ai Carnegie Institution for Science și ai multor alte instituții.

Un gigant în jurul unui pitic roșu

TOI-5205 b are aproximativ dimensiunea lui Jupiter, însă orbitează în jurul unei stele mult mai mici: o stea de tip pitic roșu care are în jur de patru ori dimensiunea lui Jupiter și doar aproximativ 40% din masa Soarelui. În timpul trecerilor planetare, când planeta eclipsează parțial fața stelei, aceasta blochează aproximativ șase procente din lumina produsă de stea, oferind astronomilor ocazia de a studia compoziția atmosferică a planetei prin spectroscopie de transmisie.

Observații JWST care contrazic așteptările

Echipa de cercetare a folosit JWST pentru a observa trei tranzituri ale TOI-5205 b, analizând modul în care lumina stelară este filtrată prin atmosfera planetară. Rezultatul a fost neașteptat: atmosfera lui TOI-5205 b pare să conțină mult mai puține elemente grele raportate la hidrogen decât atmosfera lui Jupiter și chiar o metalicitate mai redusă decât cea a stelei gazdă. Această descoperire contravine modelului convențional care prevede că planetele gigante acumulează o cantitate semnificativă de materiale grele în timpul formării, rezultând în general o atmosferă mai metalică decât steaua lor gazdă.

Găsirea moleculelor și indicii asupra compoziției

Analizele spectrale au dezvăluit prezența metanului (CH4) și a sulfidului de hidrogen (H2S) în atmosfera lui TOI-5205 b. Aceste molecule, combinate cu măsurătorile de metalicitate relativ scăzută, sugerează o compoziție atmosferică săracă în oxigen și bogată în carbon comparativ cu așteptările pentru o planetă de această masă.

Interiorul ascunde metale?

Pentru a interpreta discrepanța dintre compoziția atmosferică observată și ceea ce se așteaptă din masele și razele măsurate ale planetei, Simon Müller și Ravit Helled de la Universitatea din Zurich au aplicat modele avansate ale interiorului planetar. Modelele lor indică faptul că, deși atmosfera pare să fie săracă în elemente grele, planeta în ansamblu ar putea fi de aproximativ 100 de ori mai bogată în metale decât sugerează numai atmosfera.

Interpretarea propusă de cercetători este că elementele grele s-au migrat spre interiorul planetei în timpul formării și că astăzi există o stratificare internă puternică care împiedică amestecul dintre interior și atmosferă. În cuvintele lui Shubham Kanodia, această situație „sugerează o atmosferă planetară foarte bogată în carbon și săracă în oxigen”.

Provocarea pentru teoriile formării planetare

Sistemele precum TOI-5205 b, cu planete gigante foarte apropiate de stele pitice reci, sunt greu de explicat cu modelele tradiționale de formare planetară. În mod convențional, planetele gigante se formează într-un disc rotativ de gaz și praf în jurul unei stele tinere, acumulând mase mari de gaze și materiale solide care conduc la o atmosferă mai metalică decât a stelei gazdă. Faptul că TOI-5205 b are o atmosferă mai săracă în elemente grele decât propria sa stea înseamnă că trebuie luate în calcul mecanisme alternative: migrarea internă a metalelor, stratificarea internă persistentă sau procese de formare care s-au desfășurat diferit în discul protoplanetar.

Programul GEMS: studierea exoplanetelor gigante în jurul piticelor M

Descoperirea face parte din inițiativa mai largă GEMS, condusă de Kanodia, Cañas și Jessica Libby-Roberts de la University of Tampa, care reprezintă cel mai mare program JWST din ciclul 2 dedicat exoplanetelor. Numele complet al programului este Red Dwarfs and the Seven Giants, iar scopul său este să investigheze exoplanetele gigante tranzitante în jurul stelelor pitice de tip M pentru a înțelege mai bine formarea, structura internă și atmosfera acestora.

Efortul reunește cercetători dintr-o gamă largă de instituții, printre care se numără:

• Laboratorul de Fizică Aplicată al Universității Johns Hopkins
• Institutul de Astronomie și Astrofizică al Academia Sinică
• Universitatea Catolică
• Universitatea din Maryland
• Caltech (Institutul de Tehnologie din California)
• Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA
• Universitatea din St. Andrews
• Universitatea Penn State
• Universitatea din California, Irvine
• Institutul Tata pentru Cercetări Fundamentale
• Universitatea din Amsterdam

Corecțiile pentru petele stelare și importanța acestora

Studiul a luat în considerare efectele perturbatoare ale petelor stelare ale stelei gazdă, acele regiuni întunecate și active care pot altera semnalele spectrale și pot masca sau modifica semnalele atmosferice. Petele stelare pot face ca anumite lungimi de undă să pară mai luminoase sau pot ascunde părți ale semnalului atmosferic, compromițând astfel acuratețea determinărilor compoziționale.

Cercetătorii au aplicat corecții care au redus aceste erori, iar Nicole L. Wallack împreună cu Kanodia dezvoltă în prezent o abordare îmbunătățită într-un proiect JWST ulterior, concentrat pe același sistem. Această metodologie rafinată ar putea crește fiabilitatea măsurătorilor atmosferice pentru planetele care orbitează stele active.

Context și implicații pentru viitoare studii

Rezultatele obținute pentru TOI-5205 b nu sunt doar o curiozitate izolată, ci pot avea consecințe ample asupra modului în care sunt concepute și calibrate modelele de formare planetară. Dacă alte planete din cadrul programului GEMS sau din alte survey-uri JWST prezintă caracteristici similare — atmosfere surprinzător de sărace în metale în raport cu stelele gazdă — comunitatea științifică va trebui să regândească scenariile prin care elementele grele sunt distribuite și păstrate în interiorul planetelor gigante.

Detalii tehnice și referințe

TOI-5205 b a fost confirmată inițial în 2023, pe baza unor observații de urmărire conduse de Kanodia care s-au folosit de datele furnizate de satelitul NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Studiul publicat în The Astronomical Journal poartă titlul „GEMS JWST: Transmission Spectroscopy of TOI-5205b Reveals Significant Stellar Contamination and a Metal-poor Atmosphere” și include un număr larg de autori. Referința DOI a lucrării este 10.3847/1538-3881/ae4976.

Pentru informații suplimentare despre constatările științifice și metodologia utilizată, poate fi consultată prezentarea realizată de Carnegie Institution for Science: Pagina Carnegie Institution for Science, precum și articolul principal publicat în jurnal: Acces la DOI. De asemenea, sinteza publicată pe ScienceDaily despre acest subiect este disponibilă la This “forbidden” exoplanet has an atmosphere scientists can’t explain.

• Autori citați în referința jurnalului: Caleb I. Cañas, Jacob Lustig-Yaeger, Shang-Min Tsai, Simon Müller, Ravit Helled, Shubham Kanodia, Dana R. Louie, Giannina Guzmán Caloca, Peter Gao, Jessica Libby-Roberts, Kevin K. Hardegree-Ullman, Knicole D. Colón, Ian Czekala, Megan Delamer, Te Han, Andrea S.J. Lin, Suvrath Mahadevan, Erin M. May, Joe P. Ninan, Anjali A. A. Piette, Guðmundur Stefánsson, Kevin B. Stevenson, Johanna Teske, Nicole L. Wallack

Acest caz continuă să motiveze observații suplimentare și analize teoretice mai profunde pentru a explica diversitatea exoplanetelor și a mecanismelor care le guvernează evoluția internă și atmosferică. Pe măsură ce JWST și alte observații următoare adună date pentru mai multe astfel de sisteme, astronomii speră să dea sens acestor excepții care pot, în final, să clarifice regulile care guvernează formarea lumilor în univers.