Los astrónomos utilizaron el Telescopio Espacial James Webb (JWST) para realizar observaciones más profundas de TOI-5205 b, un exoplaneta gigante conocido como el "planeta prohibido", y descubrieron que el contenido de elementos pesados ​​en su atmósfera es inusualmente bajo, incluso más bajo que el de la estrella madre que orbita. Este descubrimiento desafía directamente la teoría tradicional de la formación y evolución de los planetas.


La investigación relevante fue publicada en The Astronomical Journal, dirigida por Caleb Cañas del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, y en la que participó Shubham Kanodia del Carnegie Institution for Science y un equipo de investigación multinacional.

TOI-5205 b es similar en tamaño a Júpiter, pero su estrella madre es una enana roja mucho más pequeña: su radio estelar es aproximadamente cuatro veces el de Júpiter y su masa es aproximadamente el 40% de la del Sol. Cuando un planeta pasa frente a una estrella fuera de la línea de visión de la Tierra, bloquea aproximadamente el 6% de la luminosidad de la estrella. Los científicos utilizan espectrómetros para analizar los cambios en la luz de diferentes longitudes de onda durante el tránsito, invirtiendo así la composición química de la atmósfera del planeta e infiriendo su historia de formación.

Según la teoría dominante, los planetas nacen en discos giratorios de gas y polvo alrededor de estrellas jóvenes, y los planetas gigantes generalmente evolucionan en discos ricos en material. Sin embargo, cerca de una estrella más pequeña y fría como TOI-5205, hay un planeta enorme en órbita cercana. Esta relación planeta-estrella y configuración orbital son difíciles de explicar razonablemente con los modelos existentes, por lo que se le llama "planeta prohibido".

Para estudiar sistemáticamente estos planetas "anómalos", Kanodia, Cañas y Jessica Libby-Roberts de la Universidad de Tampa están liderando la implementación de uno de los mayores proyectos de observación de exoplanetas en el segundo ciclo de JWST: el proyecto "Red Dwarfs and the Seven Giants", centrándose específicamente en este tipo de planetas gigantes que orbitan alrededor de enanas de tipo M, conocidos colectivamente como GEMS (sistemas de exoplanetas gigantes y enanas M).

TOI-5205 b fue descubierto originalmente por el satélite de estudio de exoplanetas en tránsito (TESS) de la NASA y marcado como candidato. Kanodia confirmó la existencia del planeta mediante observaciones de seguimiento en 2023 y actualmente es uno de los miembros principales del equipo que utilizó JWST para producir la primera caracterización detallada de su atmósfera.

Mediante el análisis de datos de tres eventos de tránsito, el equipo descubrió que la abundancia de elementos pesados ​​en relación con el hidrógeno en la atmósfera de TOI-5205 b no sólo es menor que la de Júpiter, sino incluso menor que la de su estrella madre. Esto es contrario a lo que la gente suele esperar de los planetas gigantes: normalmente los planetas gigantes se enriquecen con elementos más pesados ​​durante su formación, por lo que su "metalicidad" general tiende a ser mayor que la de sus estrellas anfitrionas. Las observaciones también detectaron la presencia de metano (CH₄) y sulfuro de hidrógeno (H₂S) en la atmósfera del planeta, proporcionando más pistas sobre su estructura química.

Para comprender el fenómeno observado de "pobre en metales" en la atmósfera, Simon Muller y Ravit Helled de la Universidad de Zurich utilizaron modelos de la estructura interna del planeta para deducir la composición general de TOI-5205 b. Los resultados indican que la "metalicidad" general del planeta es probablemente unas 100 veces mayor que la composición de la atmósfera medida con métodos de tránsito. En resumen, el interior del planeta es rico en elementos pesados, pero estos elementos pesados ​​no se mezclan eficazmente con la atmósfera.

Kanodia, coautor del artículo, explicó que existe una clara brecha entre el contenido general de metal esperado por el modelo y el contenido de metal atmosférico observado, lo que sugiere que durante el proceso de formación del planeta, los elementos pesados ​​tienden a migrar hacia adentro y quedan "encerrados" en el interior profundo, y la eficiencia de mezcla del material con la atmósfera exterior es baja. Basándose en diversas evidencias, el equipo cree que TOI-5205 b tiene un ambiente atmosférico anormal que es "rico en carbono y pobre en oxígeno".

Durante el procesamiento de los datos, los investigadores también tuvieron en cuenta específicamente la influencia de las manchas solares de la estrella madre. Las regiones más oscuras de la superficie de estas estrellas cambiarán las características espectrales observadas de manera sutil: mejorando la intensidad relativa de ciertas bandas mientras enmascaran posibles señales atmosféricas. Si no se corrige, es fácil sesgar la determinación de la composición atmosférica. Actualmente, Wallack y Kanodia están verificando aún más este método de corrección en una nueva observación del JWST, con la esperanza de proporcionar un marco de observación y análisis más confiable para futuros estudios de las atmósferas de los planetas alrededor de estrellas altamente activas.

Esta investigación es parte del programa de encuestas GEMS. El objetivo es observar sistemáticamente planetas gigantes en tránsito que orbitan alrededor de estrellas enanas de tipo M y aclarar sus procesos de formación, estructuras internas y propiedades atmosféricas. El equipo participante también incluye a los astrónomos del Carnegie Institution for Science Peter Gao, Johanna Teske y Nicole Wallack, así como a Anjali Piette, ahora miembro de la facultad y ex becaria postdoctoral de Carnegie.