Є планети, які наука просто не в змозі пояснити. TOI-5205 b — одна з них. Цей газовий гігант розміром з Юпітер обертається навколо крихітної зірки, яка, за всіма теоріями, ніколи не мала б породити таку масивну планету. І тепер телескоп Джеймс Вебб додав ще один шар загадки. У новому дослідженні, про яке повідомляє ScienceDaily, міжнародна команда на чолі з NASA Goddard Space Flight Center та Carnegie Science виявила: атмосфера цієї «забороненої» планети містить менше важких елементів, ніж її власна зірка — такого не спостерігали ще ніколи серед усіх вивчених газових гігантів.
Що відомо коротко
- TOI-5205 b — планета розміром з Юпітер, що обертається навколо червоного карлика М-типу з масою лише 40% від маси Сонця
- Під час транзитів планета перекриває аж 6% світла зірки — один із найвиразніших транзитних сигналів серед відомих екзопланет
- JWST вперше детально вивчив атмосферу планети, зафіксувавши метан (CH₄) і сірководень (H₂S)
- Металічність атмосфери виявилася значно нижчою, ніж у Юпітера і навіть нижчою за металічність самої зірки-господарки
- Дослідження опубліковано в The Astronomical Journal
Що це за явище
«Заборонена» — це неофіційне, але дуже точне прізвисько TOI-5205 b. Для формування газового гіганта потрібне масивне тверде ядро (щонайменше 10 мас Землі), навколо якого починає стрімко акумулюватися газ із протопланетного диска. Але маленькі холодні зірки, на кшталт червоних карликів, мають значно менш масивні диски — і за теорією ядрової акреції просто не можуть дати достатньо матеріалу для такого ядра.
Проте TOI-5205 b існує. Більше того — він величезний. За словами провідного автора Шубхама Кінодіа з Carnegie Science, якщо порівняти юпітероподібну планету, що обертається навколо зірки, схожої на Сонце, — це «горошина навколо грейпфрута». А ось TOI-5205 b — це «горошина навколо лимона»: планета і зірка настільки непропорційні, що самий факт існування цієї системи суперечить десятиліттям планетних моделей.
Деталі відкриття
TOI-5205 b був вперше підтверджений ще у 2023 році за даними TESS. Тепер же команда провела три транзитних спостереження за допомогою спектрографа NIRSpec на борту Джеймса Вебба в діапазоні від 0,6 до 5,3 мікрометра. Коли планета проходить перед зіркою, її атмосфера частково поглинає зоряне світло — і цей «відбиток» дозволяє визначити хімічний склад атмосфери.
Спостереження ускладнилися через плями на поверхні зірки: бурхлива активність червоного карлика залишала специфічний слід у даних — так звана «зоряна контамінація». Команді довелося ретельно відокремити цей ефект від атмосферного сигналу самої планети. Попри це, два сигнали виявилися надійними: метан та сірководень.
«Ми спостерігали значно нижчу металічність, ніж передбачали наші моделі для загального хімічного складу планети, розрахованого на основі вимірювань маси і радіуса», — зазначає Шубхам Кінодіа. — «Це свідчить про те, що важкі елементи мігрували всередину під час формування, і тепер надра та атмосфера планети не перемішуються».
Що показали нові спостереження
Найбільш дивовижний результат — це розрив між надрами і атмосферою. Математичні моделі внутрішньої будови TOI-5205 b показують, що загальна металічність планети (тобто вміст важких елементів у всьому об’ємі) становить від 10 до 20% від загальної маси — це вже значно більше, ніж у Сонця чи в зірки-господарки. Але атмосфера — зовнішній, доступний для спостереження шар — майже позбавлена цих важких елементів.
Схоже, під час формування важкі елементи «затонули» у глибини планети і тепер не перемішуються з верхньою атмосферою. Результатом є атмосфера, багата на вуглець і бідна на кисень — с метаном і сірководнем замість типових для газових гігантів молекул води. Це робить TOI-5205 b не просто «забороненою» планетою, а ще й планетою з хімічно унікальною атмосферою, якої серед відомих газових гігантів не існувало.
Доктор Анджалі Пьєтт з Університету Бірмінгему підкреслює: «Те, що металічність планети нижча, ніж у її власної зірки-господарки, виокремлює її серед усіх газових гігантів, вивчених на сьогодні».
Чому це важливо для науки
TOI-5205 b є частиною масштабної програми JWST другого циклу — «Red Dwarfs and the Seven Giants» — найбільшої екзопланетної програми JWST Cycle 2. Вона зосереджена на вивченні семи таких «заборонених» гігантів навколо червоних карликів, і кожна нова знахідка руйнує попередні теорії.
«Кожна з них переписує правила планетоутворення. Якщо газові гіганти можуть формуватися навколо крихітних зірок, нам потрібно зрозуміти, які параметри в наших моделях потрібно переналаштувати, щоб пояснити ці об’єкти», — говорить Кінодіа.
Виявлення атмосфери, багатої на метан і сірководень, але бідної на кисень, відкриває і нові питання для теорій про умови, за яких можливе зародження позаземного життя. Хімічне середовище, де вуглець переважає над киснем, фундаментально відрізняється від звичного нам — і формує зовсім інший тип планетної еволюції. Ще одним яскравим прикладом «неправильних» планет, де архітектура системи руйнує усталені закони, є нещодавнє відкриття кам’яної планети там, де мали б бути лише газові гіганти — про це читайте у матеріалі про телескоп CHEOPS. А про те, як схожий «заборонений» гарячий Юпітер навколо давньої бідної на метали зірки поставив під сумнів теорії формування планет, — у матеріалі про TOI-7169 b.
Цікаві факти
- 🔭 TOI-5205 b перекриває 6–7% світла своєї зірки під час кожного транзиту — для порівняння, наш Юпітер перекривав би лише близько 1% сонячного світла: ця надзвичайна різниця зробила планету однією з найзручніших цілей для атмосферних досліджень в історії JWST
- 🧪 Виявлений у атмосфері сірководень (H₂S) — газ із характерним запахом тухлих яєць — уперше зафіксований в атмосфері екзопланети подібного типу; це відкриває нові горизонти для молекулярної атмосферної хімії
- 🌡️ Червоний карлик, навколо якого обертається TOI-5205 b, розташований за 282 світлові роки від Землі і є зіркою класу M4 — одного з найпоширеніших типів зірок у Чумацькому Шляху, що становлять понад 70% від усіх зірок галактики
- 🪐 За даними NASA Exoplanet Archive, на сьогодні підтверджено понад 5 800 екзопланет, але серед усіх газових гігантів, вивчених за допомогою спектроскопії, жоден не мав атмосфери, бідніснішої на метали, ніж його зірка-господарка — до TOI-5205 b
FAQ
❓ Чому цю планету називають «забороненою»? Згідно з провідними теоріями планетоутворення, червоні карлики — дрібні холодні зірки — не мають достатньо матеріалу в протопланетному диску, щоб сформувати масивне тверде ядро, необхідне для народження газового гіганта. TOI-5205 b порушує цю закономірність, існуючи там, де не мав би існувати.
❓ Що означає «атмосфера бідніша на метали, ніж зірка»? В астрономії «металічність» означає вміст усіх елементів, важчих за водень і гелій. Зазвичай планети-гіганти мають більше важких елементів, ніж їхні зірки, адже акумулюють їх із протопланетного диска. Те, що атмосфера TOI-5205 b бідніша на метали навіть порівняно із зіркою — безпрецедентно і вказує на особливу структуру: важкі елементи «затонули» у глибини і не перемішуються з поверхнею.
❓ Чи може така планета мати умови для зародження якогось незвичного життя? Теоретично, хімія на основі вуглецю (без надлишку кисню) — це принципово інше середовище порівняно із Землею. На сьогодні жодних ознак придатності до життя у TOI-5205 b немає, але вивчення таких «нестандартних» хімічних атмосфер допомагає розширити межі нашого розуміння того, у яких умовах взагалі може зароджуватися складна хімія.