Согласно классической небулярной гипотезе, звезды и их планетные свиты возникают из единого протопланетного облака. Хотя эта модель является фундаментом современной астрофизики, она сталкивается с серьезными противоречиями при детальном изучении некоторых экзопланетных систем.
Современные поисковые программы регулярно фиксируют присутствие массивных газовых гигантов, по габаритам сопоставимых с Юпитером или даже превосходящих его, в непосредственной близости от маломассивных звезд. Такие планеты нередко оказываются к своим светилам гораздо ближе, чем Меркурий к Солнцу. Механизм формирования столь крупных тел в подобных условиях остается загадкой, которую существующая теория не способна удовлетворительно разрешить.
Фундаментальная сложность заключается в скудности массы протопланетного диска у небольших звезд — именно этот материал служит «строительным блоком» для будущих планет. Логично предположить, что массивные планеты требуют наличия столь же значительных запасов вещества, что создает явное несоответствие с наблюдаемыми фактами.
Одним из наиболее ярких примеров такого «невозможного» объекта является TOI-5205b — гигант, вращающийся вокруг красного карлика M-класса, удаленного от нас на 282 световых года. При массе в 1,08 массы Юпитера, планета совершает полный виток вокруг звезды всего за 1,6 земных суток. Обнаруженный в 2023 году с помощью аппарата TESS и подтвержденный сетью наземных телескопов, этот объект стал предметом пристального внимания.
«Отношение массы TOI-5205b к массе родительской звезды (0,392 массы Солнца) составляет порядка 0,3%, что является аномально высоким показателем», — отмечают авторы исследования. «Столь колоссальные габариты планеты ставят под сомнение общепринятые теории масштабирования дисков, которые попросту не допускают условий для возникновения таких систем».
В настоящее время научная группа, занимающаяся этим объектом, использует телескоп «Джеймс Уэбб» в рамках амбициозной программы GEMS (Giant Exoplanets around M dwarf Stars). Основная задача проекта — детальный анализ состава атмосфер, где TOI-5205b выступает приоритетной целью благодаря выраженной глубине транзита.
Новая научная работа под руководством Калеба Каньяса из Центра космических полетов имени Годдарда, опубликованная в The Astronomical Journal, раскрывает результаты спектроскопии пропускания этой экзопланеты, полученные по итогам трех транзитных наблюдений.
Полученные данные принесли немало сюрпризов. Атмосфера TOI-5205b демонстрирует неожиданно низкую металличность — содержание тяжелых элементов оказалось даже ниже, чем у самой звезды, и уж тем более меньше, чем у Юпитера. Также был зафиксирован ряд соединений, таких как метан и сероводород.
«Понимание внутренней структуры и химического состава гигантов — критически важный шаг к разгадке их происхождения», — поясняют исследователи. Сравнив спектральные данные с моделями, ученые обнаружили, что общее содержание металлов в недрах планеты может быть почти в 100 раз выше, чем в ее атмосфере.
«Мы наблюдаем разительный контраст между металличностью атмосферы и общим химическим составом, что указывает на разделение слоев: тяжелые элементы мигрировали вглубь в процессе формирования и теперь не перемешиваются с внешними оболочками», — поясняет Каньяс. В целом, атмосфера планеты характеризуется высоким содержанием углерода при дефиците кислорода.
Это необычное химическое соотношение предполагает, что планета могла сформироваться в специфической зоне протопланетного диска, насыщенной углеродным льдом при нехватке водяного льда. Либо в процессе роста планета мигрировала между различными областями диска, постепенно «впитывая» разный материал. В любом случае, это противоречит небулярной гипотезе, постулирующей единообразие состава звезды и ее гигантских спутников.
Авторы, однако, призывают к осторожности: звездная активность может создавать помехи, искажающие результаты спектроскопии. Ожидается, что будущие сеансы наблюдений в рамках программы «Уэбба» позволят уточнить эти выводы. В рамках проекта GEMS планируется изучить еще семь подобных планет, что позволит вписать случай TOI-5205b в более широкий контекст и, наконец, понять ограничения, накладываемые природой на рождение таких уникальных космических объектов.