Các nhà thiên văn học đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) để tiến hành quan sát sâu hơn về TOI-5205 b, một ngoại hành tinh khổng lồ được gọi là "hành tinh bị cấm" và phát hiện ra rằng hàm lượng nguyên tố nặng trong bầu khí quyển của nó thấp bất thường, thậm chí còn thấp hơn hàm lượng của ngôi sao mẹ mà nó quay quanh. Khám phá này thách thức trực tiếp lý thuyết truyền thống về sự hình thành và tiến hóa hành tinh.
Nghiên cứu liên quan đã được công bố trên Tạp chí Thiên văn và được dẫn dắt bởi Caleb Cañas thuộc Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard của NASA và Shubham thuộc Viện Khoa học Carnegie. Kanodia và các nhóm nghiên cứu khoa học đa quốc gia đã tham gia hoàn thiện.
TOI-5205 b có kích thước tương tự Sao Mộc, nhưng ngôi sao mẹ của nó là một sao lùn đỏ nhỏ hơn nhiều: bán kính sao của nó gấp khoảng 4 lần Sao Mộc và khối lượng của nó bằng khoảng 40% so với Mặt Trời. Khi một hành tinh đi qua phía trước một ngôi sao từ tầm nhìn của Trái đất, nó sẽ chặn khoảng 6% độ sáng của ngôi sao. Các nhà khoa học sử dụng máy quang phổ để phân tích sự thay đổi ánh sáng của các bước sóng khác nhau trong quá trình truyền qua, từ đó đảo ngược thành phần hóa học của bầu khí quyển hành tinh và suy ra lịch sử hình thành của nó.
Theo lý thuyết chính thống, các hành tinh được sinh ra trong các đĩa quay bao gồm khí và bụi xung quanh các ngôi sao trẻ và các hành tinh khổng lồ thường phát triển trong các đĩa giàu vật chất. Tuy nhiên, gần một ngôi sao nhỏ hơn và lạnh hơn như TOI-5205 có một hành tinh khổng lồ, quay quanh gần. Tỷ lệ hành tinh-sao và cấu hình quỹ đạo như vậy rất khó giải thích hợp lý bằng các mô hình hiện có nên nó được gọi là "hành tinh bị cấm".
Để nghiên cứu một cách có hệ thống những hành tinh "bất thường" như vậy, Kanodia, Cañas và Jessica Libby-Roberts của Đại học Tampa đang dẫn đầu việc thực hiện một trong những dự án quan sát ngoại hành tinh lớn nhất trong chu kỳ thứ hai của JWST - chương trình "Red Dwarfs and the Seven Giants", đặc biệt tập trung vào loại hành tinh khổng lồ quay quanh các sao lùn loại M, được gọi chung là GEMS (Giant) Các ngoại hành tinh và các ngoại hành tinh khổng lồ) hệ sao lùn M).
TOI-5205 b ban đầu được phát hiện bởi Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh (TESS) của NASA và được đánh dấu là một ứng cử viên. Kanodia đã xác nhận sự tồn tại của hành tinh này thông qua các quan sát tiếp theo vào năm 2023 và hiện là một trong những thành viên cốt cán của nhóm đã sử dụng JWST để tạo ra đặc tính chi tiết đầu tiên về bầu khí quyển của nó.
Nhóm nghiên cứu phát hiện qua phân tích dữ liệu của ba sự kiện chuyển tiếp rằng hàm lượng các nguyên tố nặng so với hydro trong bầu khí quyển của TOI-5205 b không chỉ thấp hơn so với Sao Mộc mà thậm chí còn thấp hơn so với ngôi sao mẹ của nó. Điều này trái ngược với những gì mọi người thường mong đợi từ các hành tinh khổng lồ - thông thường các hành tinh khổng lồ được làm giàu với nhiều nguyên tố nặng hơn trong quá trình hình thành, do đó "độ kim loại" tổng thể của chúng có xu hướng cao hơn so với các ngôi sao chủ của chúng. Các quan sát cũng phát hiện sự hiện diện của khí metan (CH₄) và hydro sunfua (H₂S) trong bầu khí quyển của hành tinh này, cung cấp thêm manh mối về cấu trúc hóa học của nó.
Để hiểu hiện tượng "nghèo kim loại" quan sát được trong khí quyển, Simon Muller và Ravit Helled của Đại học Zurich đã sử dụng mô hình cấu trúc bên trong của hành tinh để suy ra thành phần tổng thể của TOI-5205 b. Kết quả chỉ ra rằng “độ kim loại” tổng thể của hành tinh này có thể cao hơn khoảng 100 lần so với thành phần của khí quyển được đo bằng các phương pháp vận chuyển. Nói tóm lại, bên trong hành tinh rất giàu các nguyên tố nặng, nhưng những nguyên tố nặng này không được hòa trộn vào khí quyển một cách hiệu quả.
Đồng tác giả giấy Kanodia giải thích rằng có một khoảng cách rõ ràng giữa hàm lượng kim loại tổng thể mà mô hình mong đợi và hàm lượng kim loại trong khí quyển quan sát được, điều này cho thấy rằng trong quá trình hình thành hành tinh, các nguyên tố nặng có xu hướng di chuyển vào trong và bị "khóa" ở phần sâu bên trong, đồng thời hiệu suất trộn vật liệu với bầu khí quyển bên ngoài thấp. Dựa trên nhiều bằng chứng khác nhau, nhóm nghiên cứu tin rằng TOI-5205 b có môi trường khí quyển bất thường “giàu carbon và nghèo oxy”.
Trong quá trình xử lý dữ liệu, các nhà nghiên cứu cũng đặc biệt tính đến ảnh hưởng của các vết đen mặt trời của ngôi sao mẹ. Các vùng tối hơn trên bề mặt của những ngôi sao này sẽ thay đổi các đặc điểm quang phổ quan sát được theo những cách tinh tế: tăng cường cường độ tương đối của các dải nhất định trong khi che giấu các tín hiệu khí quyển tiềm năng. Nếu không hiệu chỉnh sẽ dễ làm sai lệch việc xác định thành phần khí quyển. Wallack và Kanodia hiện đang xác minh thêm phương pháp hiệu chỉnh này trong một quan sát JWST mới, hy vọng sẽ cung cấp một khung phân tích và quan sát đáng tin cậy hơn cho các nghiên cứu trong tương lai về bầu khí quyển của các hành tinh xung quanh các ngôi sao hoạt động mạnh.
Nghiên cứu này là một phần của chương trình khảo sát GEMS. Mục tiêu là quan sát một cách có hệ thống các hành tinh khổng lồ chuyển động quay quanh các ngôi sao lùn loại M và làm rõ quá trình hình thành, cấu trúc bên trong và tính chất khí quyển của chúng. Nhóm tham gia còn bao gồm các nhà thiên văn học của Viện Khoa học Carnegie Peter Gao, Johanna Teske và Nicole Wallack, cũng như Anjali Piette, hiện là giảng viên và cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Carnegie.