Невозможная планета: телескоп Джеймса Уэбба обнаружил атмосферу, которая не подчиняется законам астрофизики

Международная команда астрофизиков под руководством Калеба Каньяса из центра космических полетов NASA имени Годдарда опубликовала исследование, способное переписать учебники астрофизики. Телескоп Джеймса Уэбба проанализировал атмосферу «запретной планеты» TOI-5205 b. И то, что он там обнаружил, не поддаётся объяснению с точки зрения существующих теоретических моделей.

Планета TOI-5205 b, расположенная примерно в 280 световых годах от Земли, является газовым гигантом размером с Юпитер. Сама по себе она ничем не примечательна — сотни подобных миров уже занесены в каталоги. Но звезда, которую она обходит, меняет всё. Это красный карлик класса М, масса которого составляет всего 40 процентов от массы Солнца.

Парадокс размера

Согласно общепринятым моделям аккреции ядра — наиболее признанному механизму формирования планет-гигантов, — такие маленькие звёзды просто не имеют протопланетных дисков с достаточным количеством материала, чтобы породить газового гиганта размером с Юпитер. Соотношение между размерами планеты и её звезды здесь намного больше, чем любая модель считает возможным. Поэтому астрономы прозвали TOI-5205 b «запретной планетой». Она не должна существовать.

Но оказалось, что само по себе существование — не единственная загадка.

Второй парадокс: атмосфера без металлов

Команда Каньяса использовала телескоп Джеймса Уэбба для наблюдения за тремя транзитами планеты — моментами, когда TOI-5205 b проходит прямо между своей звездой и телескопом. Во время каждого транзита часть звёздного света проходит через тонкий атмосферный слой планеты, прежде чем достичь сенсоров. Высокоточные спектрографы проанализировали этот свет, разложив его на разные длины волн. Каждый химический элемент оставляет свой уникальный «отпечаток».

Результаты оказались шокирующими. Атмосфера TOI-5205 b оказалась удивительно бедна металлами — то есть элементами тяжелее водорода и гелия. Более того, металличность планеты оказалась ниже, чем у её собственной звезды. Это прямо противоречит предсказаниям моделей формирования планет.

Согласно теории аккреции ядра, планеты-гиганты формируются, когда массивное каменное ядро накапливает вокруг себя газ. Этот процесс должен приводить к образованию планет, богатых металлами. Металличность планеты должна быть равной или превышать металличность звезды. В случае с TOI-5205 b происходит прямо противоположное.

Два столпа астрофизики рушатся одновременно

Современная планетология опирается на несколько принципов, которые считались незыблемыми. Исследование TOI-5205 b ставит под сомнение два из них одновременно.

Первый пошатнувшийся парадигмальный принцип касается аккреции ядра у звёзд малой массы. Красные карлики класса М составляют примерно 70 процентов всех звёзд Млечного Пути. Но их протопланетные диски обычно довольно скромны, поэтому научное сообщество всегда считало маловероятным, что они могут порождать планеты размером с Юпитер.

Второй оспариваемый принцип касается корреляции между металличностью звезды и планеты. До сих пор наблюдения десятков экзопланетных систем подтверждали идею о том, что планеты-гиганты наследуют — и часто усиливают — химический состав своих звёзд. TOI-5205 b категорически нарушает это правило.

Почему это важно

Понимание того, могут ли красные карлики — а их в галактике большинство — быть хозяевами газовых гигантов, имеет огромное значение для оценки общего числа планет в Млечном Пути. Если модели ошибались, то и оценки количества планет могут быть радикально пересмотрены.

Необычная атмосфера TOI-5205 b предполагает, что могут существовать неизвестные механизмы формирования планет. Среди возможностей, которые рассматривают исследователи: гравитационная нестабильность диска (планета могла сформироваться путём прямого коллапса плотной области диска без предварительного каменного ядра), миграция из другой системы или неучтённые атмосферные процессы.

Ограничения исследования

Хотя результаты экстраординарны, важно отметить, что исследование основано на трёх наблюдаемых транзитах. Будущие наблюдения могут уточнить измерения металличности и подтвердить — или дополнить — текущие выводы. Авторы сами признают, что потребуются более сложные атмосферные модели, чтобы полностью интерпретировать данные телескопа Джеймса Уэбба. Кроме того, метод транзитной спектроскопии захватывает только самый внешний слой атмосферы, который может не отражать полный состав планеты.

Вопрос, который остаётся без ответа, заключается не в том, существует ли TOI-5205 b. Она существует, и её атмосфера измерена. Вопрос в том, насколько глубоко науке придётся пересмотреть свои представления о формировании планетных систем. Красные карлики — самые распространённые звёзды в галактике. Если они могут рождать юпитеры, а их юпитеры могут иметь химический состав, противоречащий всем моделям, то астрофизикам, возможно, придётся вернуться к самым основам. И следующее поколение телескопов, вероятно, найдёт ещё больше «запретных» миров, которые продолжат разрушать то, что считалось незыблемым. Как это часто бывает в науке, самые ценные ответы приходят не из подтверждений, а из открытий, которые просто не должны существовать.