TOI-5205 b. Planeta, która nie powinna istnieć 

Astronomowie zbadali atmosferę jednej z najbardziej kłopotliwych planet pozasłonecznych, jakie znamy. TOI-5205 b to gazowy olbrzym krążący wokół bardzo małej, chłodnej gwiazdy. Według standardowych modeli taki układ nie powinien powstać

TOI-5205 b od chwili odkrycia sprawia astronomom kłopot. Sama planeta ma masę około 1,08 masy Jowisza i około 0,94 jego promienia, a jej gwiazda macierzysta to niewielki czerwony karzeł typu M4 o masie zaledwie 0,39 masy Słońca. Oznacza to, że mamy do czynienia z bardzo dużą planetą przy bardzo małej gwieździe.

Gazowe olbrzymy powstają w dysku pyłu i gazu otaczającym młodą gwiazdę. Najpierw musi uformować się masywne jądro, które następnie zaczyna szybko przyciągać gaz z otoczenia. Tyle że wokół tak małej gwiazdy, jak TOI-5205, powinno być po prostu za mało materiału, by taki proces zaszedł.

Dodatkowo TOI-5205 b krąży bardzo blisko swojej gwiazdy. Jeden obieg zajmuje jej tylko 1,63 dnia, a odległość od gwiazdy wynosi około 0,0195 jednostki astronomicznej. To ważne także z punktu widzenia obserwacji: gdy planeta przechodzi na tle swojej gwiazdy, zasłania około 6 proc. jej światła, czyli wyjątkowo dużo jak na egzoplanetę.

Właśnie dlatego zespół astronomów skierował na ten układ Teleskop Jamesa Webba. Badacze obserwowali trzy tranzyty TOI-5205 b instrumentem NIRSpec, analizując światło w zakresie od 0,6 do 5,3 mikrometra. Chodziło o to, by sprawdzić, czy skład atmosfery może powiedzieć coś o tym, jak taki obiekt w ogóle się uformował.

Problem z gwiazdą

Badanie atmosfer egzoplanet polega na analizie światła gwiazdy, które przechodzi przez cienką warstwę gazu wokół planety podczas tranzytu. Różne cząsteczki pochłaniają różne długości fal, więc z takiego widma można wyczytać, jakie związki chemiczne są obecne w atmosferze.

W przypadku TOI-5205 b sprawa od początku była jednak bardziej skomplikowana. Jej gwiazda okazała się silnie aktywna i pokryta licznymi plamami. Teleskop nie widzi wtedy „czystego” sygnału planety. Część zmian w świetle pochodzi nie z jej atmosfery, ale z niejednorodnej powierzchni gwiazdy. Autorzy pracy opublikowanej w The Astronomical Journal pokazują, że właśnie ten efekt był jednym z głównych problemów przy interpretacji danych.

Mimo to udało się wyłuskać kilka mocnych wyników. W atmosferze TOI-5205 b badacze wykryli metan (CH₄) i siarkowodór (H₂S). To pasuje do obrazu stosunkowo chłodnego gazowego olbrzyma.

Atmosfera jest „lekka”, ale wnętrze mówi co innego

Najciekawszy wynik dotyczy tzw. metaliczności atmosfery, czyli zawartości pierwiastków cięższych od wodoru i helu. I tu TOI-5205 b znów okazała się nietypowa. Z obserwacji wynika, że jej atmosfera może być uboższa w cięższe pierwiastki, niż sugerowałyby modele. „Zaobserwowaliśmy znacznie niższą metaliczność, niż przewidywały nasze modele dla całkowitego składu planety” – powiedział Shubham Kanodia z Carnegie Science, współautor pracy, cytowany w komunikacie instytutu. „Wyniki sugerują atmosferę bardzo bogatą w węgiel i ubogą w tlen”.

Skład atmosfery może być śladem warunków, w których planeta się formowała. Jeśli rzeczywiście mamy do czynienia z atmosferą ubogą w cięższe pierwiastki, a jednocześnie bogatą w węgiel, oznaczałoby to, że TOI-5205 b mogła powstawać w dość nietypowych warunkach chemicznych.

Na tym niespodzianki się nie kończą. Gdy zespół porównał skład atmosfery z tym, co można oszacować na podstawie masy i promienia planety, pojawiła się wyraźna rozbieżność. Choć atmosfera wygląda na relatywnie ubogą, modele wnętrza wskazują, że cała planeta powinna być w rzeczywistości bogata w cięższe składniki. Autorzy szacują, że jej całkowita metaliczność wynosi około 0,17, a łączna masa cięższych pierwiastków może sięgać około 57 mas Ziemi.

Najprostszy wniosek jest taki, że planeta nie jest dobrze „wymieszana”. Cięższe składniki mogły opaść głęboko do środka albo zostały tam uwięzione jeszcze na wczesnym etapie formowania. Oznaczałoby to, że atmosfera, którą dziś obserwujemy, nie mówi całej prawdy o składzie obiektu.

Ta planeta nadal nie daje prostych odpowiedzi

Autorzy pracy podkreślają, że wyniki trzeba traktować ostrożnie. Największym ograniczeniem pozostaje sama gwiazda, której aktywność mocno komplikuje analizę i sprawia, że część wniosków nadal obarczona jest sporą niepewnością.

To zresztą coraz częstszy problem w badaniach egzoplanet wokół czerwonych karłów. Takie gwiazdy są małe i korzystne obserwacyjnie, ale jednocześnie bywają pełne plam, rozbłysków i innych zjawisk, które łatwo mogą zafałszować sygnał z planety.

Dobra wiadomość jest taka, że zespół zaplanował już kolejne obserwacje za pomocą Teleskopu Webba. Powinny  pomóc sprawdzić, czy atmosfera rzeczywiście ma tak niską metaliczność, czy faktycznie jest bogata w węgiel i czy sygnał wody został po prostu zagłuszony przez aktywność gwiazdy.

Na razie TOI-5205 b pozostaje jednym z tych światów, które są dla astronomii szczególnie cenne nie dlatego, że dobrze pasują do teorii, ale dlatego, że wyraźnie od niej odstają. 

Źródła:

• Caleb I. Cañas i in., “GEMS JWST: Transmission Spectroscopy of TOI-5205b Reveals Significant Stellar Contamination and a Metal-poor Atmosphere”, The Astronomical Journal (2026), DOI: 10.3847/1538-3881/ae4976
• Carnegie Science, komunikat prasowy: “How did this get made? Giant planet orbits small star”
• Shubham Kanodia i in., “TOI-5205b: A Short-period Jovian Planet Transiting a Mid-M Dwarf”, The Astronomical Journal (2023), DOI: 10.3847/1538-3881/acabce

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi