Планета с бедной тяжелыми элементами атмосферой и богатыми ими недрами противоречит представлениям о газовых гигантах — исследование

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» изучил атмосферу экзопланеты TOI-5205b — газового гиганта размером с Юпитер, который вращается вокруг красного карлика — звезды значительно меньше Солнца. Выяснилось, что атмосфера планеты крайне бедна тяжелыми элементами, зато ее недра ими насыщены, что противоречит представлениям о газовых гигантах. Результаты исследования опубликованы в The Astronomical Journal.

Теории формирования планет предсказывают, что вокруг таких маленьких звезд, как TOI-5205, газовым гигантам появиться практически неоткуда. В протопланетном диске просто не хватает материала, чтобы собрать достаточно массивное твердое ядро и запустить лавинообразное поглощение газа. Тем не менее TOI-5205b существует.

Астрономы зафиксировали три прохождения газового гиганта перед своей звездой и проанализировали, как ее свет проходит сквозь атмосферу планеты. Задача была усложнена тем, что поверхность звезды покрыта пятнами, которые исказили сигнал, особенно в синей части спектра. Решив проблему, ученые обнаружили в атмосфере планеты метан и сероводород, но не обнаружили воду — ее сигнал, по всей видимости, заглушило звездное загрязнение.

Состав атмосферы указывает на крайне низкое содержание в ней металлов — то есть всего, что тяжелее водорода и гелия, — и на аномально высокое соотношение углерода к кислороду. Последнее может означать, что планета формировалась в богатой углеродом части диска либо позже захватила углеродистые тела. Однако при этом глубинные слои планеты, судя по ее массе и радиусу, содержат от 10 до 20% тяжелых элементов — несравнимо больше, чем атмосфера.

Этот разрыв между составом атмосферы и глубинных слоев говорит о том, что планета не «перемешана» изнутри. Тяжелые вещества осели глубоко и не поднимаются наверх — примерно так же устроен Юпитер, у которого внешняя оболочка и внутренние слои тоже заметно различаются по составу. Получается, что, несмотря на все сложности с образованием вокруг маленькой звезды, планета каким-то образом накопила внушительное количество твердого материала на больших глубинах.

Ученые признают, что звездные пятна могли сместить оценки состава атмосферы — в частности, занизить реальное содержание металлов. Проверить это поможет следующий этап наблюдений. В рамках отдельной программы «Джеймс Уэбб» изучит тепловое излучение TOI-5205b, что позволит оценить атмосферу с другой стороны и уточнить, насколько можно доверять нынешним результатам.

В 2023 году исследователи с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» смогли обнаружить воду и угарный газ на экзопланетах в редкой планетной системе HR 8799.