Astronomen gebruikten de James Webb Space Telescope (JWST) om diepgaandere observaties uit te voeren van TOI-5205 b, een gigantische exoplaneet die bekend staat als de "verboden planeet", en ontdekten dat het gehalte aan zware elementen in de atmosfeer ongebruikelijk laag is, zelfs lager dan dat van de moederster waar hij omheen draait. Deze ontdekking daagt rechtstreeks de traditionele theorie van planeetvorming en evolutie uit.


Relevant onderzoek werd gepubliceerd in The Astronomical Journal, geleid door Caleb Cañas van NASA's Goddard Space Flight Center, en waaraan werd deelgenomen door Shubham Kanodia van het Carnegie Institution for Science en een multinationaal onderzoeksteam.

TOI-5205 b is qua grootte vergelijkbaar met Jupiter, maar zijn moederster is een veel kleinere rode dwerg: de sterstraal is ongeveer vier keer die van Jupiter en de massa is ongeveer 40% van die van de zon. Wanneer een planeet vanuit de gezichtslijn van de aarde voor een ster langs beweegt, blokkeert deze ongeveer 6% van de helderheid van de ster. Wetenschappers gebruiken spectrometers om de veranderingen in het licht van verschillende golflengten tijdens de transit te analyseren, waardoor de chemische samenstelling van de atmosfeer van de planeet wordt omgekeerd en de geschiedenis van de vorming ervan wordt afgeleid.

Volgens de reguliere theorie worden planeten geboren in roterende schijven van gas en stof rond jonge sterren, en evolueren reuzenplaneten over het algemeen in materiaalrijke schijven. In de buurt van een kleinere en koelere ster als TOI-5205 bevindt zich echter een enorme planeet die in een nauwe baan draait. Een dergelijke planeet-sterverhouding en orbitale configuratie zijn moeilijk redelijkerwijs te verklaren met bestaande modellen, daarom wordt het een 'verboden planeet' genoemd.

Om dergelijke ‘afwijkende’ planeten systematisch te bestuderen, leiden Kanodia, Cañas en Jessica Libby-Roberts van de Universiteit van Tampa de implementatie van een van de grootste exoplaneetobservatieprojecten in de tweede cyclus van JWST – het ‘Red Dwarfs and the Seven Giants’-project, specifiek gericht op dit soort reuzenplaneten die rond dwergen van het M-type draaien, gezamenlijk bekend als GEMS (gigantische exoplaneten en M-dwergsystemen).

TOI-5205 b werd oorspronkelijk ontdekt door NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) en gemarkeerd als kandidaat. Kanodia bevestigde het bestaan ​​van de planeet door middel van vervolgobservaties in 2023, en is momenteel een van de kernleden van het team dat JWST gebruikte om de eerste gedetailleerde karakterisering van de atmosfeer te produceren.

Door data-analyse van drie transitgebeurtenissen ontdekte het team dat de overvloed aan zware elementen in verhouding tot waterstof in de atmosfeer van TOI-5205 b niet alleen lager is dan die van Jupiter, maar zelfs lager dan die van zijn moederster. Dit is in strijd met wat mensen over het algemeen van reuzenplaneten verwachten; reuzenplaneten zijn tijdens hun vorming doorgaans verrijkt met zwaardere elementen, waardoor hun algehele ‘metalliciteit’ doorgaans hoger is dan die van hun gaststerren. Waarnemingen ontdekten ook de aanwezigheid van methaan (CH₄) en waterstofsulfide (H₂S) in de atmosfeer van de planeet, wat meer aanwijzingen opleverde voor de chemische structuur ervan.

Om het waargenomen ‘metaalarme’ fenomeen in de atmosfeer te begrijpen, gebruikten Simon Muller en Ravit Helled van de Universiteit van Zürich modellen van de interne structuur van de planeet om de algehele samenstelling van TOI-5205 b af te leiden. De resultaten geven aan dat de algehele ‘metalliciteit’ van de planeet waarschijnlijk ongeveer 100 keer hoger is dan de samenstelling van de atmosfeer gemeten met behulp van transitmethoden. Kortom, het binnenste van de planeet is rijk aan zware elementen, maar deze zware elementen worden niet effectief in de atmosfeer gemengd.

Kanodia, een co-auteur van het artikel, legde uit dat er een duidelijke kloof bestaat tussen het totale metaalgehalte dat door het model wordt verwacht en het waargenomen atmosferische metaalgehalte, wat suggereert dat tijdens het vormingsproces van de planeet zware elementen de neiging hebben naar binnen te migreren en "opgesloten" zijn in het diepe binnenland, en dat de mengefficiëntie van het materiaal met de buitenste atmosfeer laag is. Op basis van verschillende bewijzen is het team van mening dat TOI-5205 b een abnormale atmosferische omgeving heeft die "rijk is aan koolstof en arm aan zuurstof."

Tijdens de gegevensverwerking hebben de onderzoekers ook specifiek de invloed van de zonnevlekken van de moederster meegenomen. De donkere gebieden op het oppervlak van deze sterren zullen de waargenomen spectrale kenmerken op subtiele manieren veranderen: ze versterken de relatieve intensiteit van bepaalde banden en maskeren potentiële atmosferische signalen. Als dit niet wordt gecorrigeerd, is het gemakkelijk om de bepaling van de atmosferische samenstelling te vertekenen. Wallack en Kanodia verifiëren deze correctiemethode momenteel verder in een nieuwe JWST-observatie, in de hoop een betrouwbaarder observatie- en analysekader te bieden voor toekomstige studies van de atmosfeer van planeten rond zeer actieve sterren.

Dit onderzoek maakt deel uit van het GEMS-enquêteprogramma. Het doel is om systematisch transiterende reuzenplaneten te observeren die rond dwergsterren van het M-type draaien en hun vormingsprocessen, interne structuren en atmosferische eigenschappen te verduidelijken. Het deelnemende team bestaat ook uit de astronomen Peter Gao, Johanna Teske en Nicole Wallack van het Carnegie Institution for Science, evenals Anjali Piette, nu faculteitslid en voormalig postdoctoraal onderzoeker in Carnegie.