استخدم علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) لإجراء المزيد من عمليات الرصد المتعمقة لـ TOI-5205 b، وهو كوكب خارجي عملاق يُعرف باسم "الكوكب المحرم"، ووجدوا أن محتوى العناصر الثقيلة في غلافه الجوي منخفض بشكل غير عادي، حتى أقل من محتوى النجم الأم الذي يدور حوله. يتحدى هذا الاكتشاف بشكل مباشر النظرية التقليدية لتكوين الكوكب وتطوره.
نُشرت الأبحاث ذات الصلة في المجلة الفلكية، بقيادة كاليب كانياس من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، وشارك فيها شوبهام كانوديا من معهد كارنيجي للعلوم وفريق بحث متعدد الجنسيات.
TOI-5205 b مشابه في الحجم لكوكب المشتري، لكن نجمه الأم هو قزم أحمر أصغر بكثير: يبلغ نصف قطر نجمه حوالي أربعة أضعاف قطر المشتري وكتلته حوالي 40٪ من كتلة الشمس. عندما يمر كوكب أمام نجم من خط رؤية الأرض، فإنه يحجب حوالي 6٪ من لمعان النجم. يستخدم العلماء أجهزة قياس الطيف لتحليل التغيرات في ضوء الأطوال الموجية المختلفة أثناء العبور، وبالتالي عكس التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للكوكب واستنتاج تاريخ تكوينه.
ووفقا للنظرية السائدة، تولد الكواكب في أقراص دوارة من الغاز والغبار حول النجوم الشابة، وتتطور الكواكب العملاقة عموما في أقراص غنية بالمواد. ومع ذلك، بالقرب من نجم أصغر حجمًا وأكثر برودة مثل TOI-5205، يوجد كوكب ضخم قريب من المدار. يصعب تفسير نسبة الكوكب إلى النجم والتكوين المداري بشكل معقول باستخدام النماذج الحالية، لذلك يطلق عليه "الكوكب المحرم".
لدراسة مثل هذه الكواكب "الشاذة" بشكل منهجي، يقود كانوديا وكانياس وجيسيكا ليبي روبرتس من جامعة تامبا تنفيذ أحد أكبر مشاريع مراقبة الكواكب الخارجية في الدورة الثانية من تلسكوب جيمس ويب الفضائي - مشروع "الأقزام الحمراء والعمالقة السبعة"، مع التركيز بشكل خاص على هذا النوع من الكواكب العملاقة التي تدور حول أقزام من النوع M، والمعروفة مجتمعة باسم GEMS (الكواكب الخارجية العملاقة وأنظمة M القزمة).
تم اكتشاف TOI-5205 b في الأصل بواسطة القمر الصناعي لمسح الكواكب الخارجية العابرة (TESS) التابع لناسا وتم تصنيفه كمرشح. أكد كانوديا وجود الكوكب من خلال عمليات الرصد في عام 2023، وهو حاليًا أحد الأعضاء الأساسيين في الفريق الذي استخدم تلسكوب جيمس ويب الفضائي لإنتاج أول توصيف تفصيلي لغلافه الجوي.
ومن خلال تحليل بيانات ثلاثة أحداث عبور، وجد الفريق أن وفرة العناصر الثقيلة بالنسبة للهيدروجين في الغلاف الجوي لكوكب TOI-5205 b ليست أقل من تلك الموجودة في كوكب المشتري فحسب، بل أقل أيضًا من تلك الموجودة في نجمه الأم. وهذا يتعارض مع ما يتوقعه الناس عمومًا من الكواكب العملاقة، فعادةً ما يتم إثراء الكواكب العملاقة بالمزيد من العناصر الثقيلة أثناء تكوينها، لذلك تميل "معدنتها" الإجمالية إلى أن تكون أعلى من تلك الخاصة بالنجوم المضيفة لها. كشفت الملاحظات أيضًا عن وجود الميثان (CH₄) وكبريتيد الهيدروجين (H₂S) في الغلاف الجوي للكوكب، مما يوفر المزيد من الأدلة حول تركيبه الكيميائي.
ولفهم ظاهرة "الفقر المعدني" الملحوظة في الغلاف الجوي، استخدم سايمون مولر ورافيت هيلد من جامعة زيورخ نماذج للبنية الداخلية للكوكب لاستنتاج التركيب العام للكوكب TOI-5205 b. وتشير النتائج إلى أن "المعدنية" الإجمالية للكوكب من المحتمل أن تكون أعلى بحوالي 100 مرة من تكوين الغلاف الجوي الذي تم قياسه بطرق العبور. باختصار، باطن الكوكب غني بالعناصر الثقيلة، لكن هذه العناصر الثقيلة لا تمتزج بشكل فعال مع الغلاف الجوي.
وأوضح كانوديا، وهو مؤلف مشارك في الورقة، أن هناك فجوة واضحة بين المحتوى المعدني الإجمالي الذي يتوقعه النموذج والمحتوى المعدني في الغلاف الجوي المرصود، مما يشير إلى أنه أثناء عملية تكوين الكوكب، تميل العناصر الثقيلة إلى الهجرة إلى الداخل و"تحبس" في الداخل العميق، وتكون كفاءة خلط المواد مع الغلاف الجوي الخارجي منخفضة. واستنادًا إلى أدلة مختلفة، يعتقد الفريق أن TOI-5205 b يتمتع ببيئة جوية غير طبيعية "غنية بالكربون وفقيرة بالأكسجين".
أثناء معالجة البيانات، قام الباحثون أيضًا على وجه التحديد بتضمين تأثير البقع الشمسية للنجم الأم. ستغير المناطق الداكنة على سطح هذه النجوم الخصائص الطيفية المرصودة بطرق خفية: تعزيز الكثافة النسبية لنطاقات معينة مع إخفاء الإشارات الجوية المحتملة. إذا لم يتم تصحيحه، فمن السهل التحيز في تحديد تكوين الغلاف الجوي. يقوم والاك وكانوديا حاليًا بالتحقق من طريقة التصحيح هذه في مراقبة جديدة لـ JWST، على أمل توفير إطار مراقبة وتحليل أكثر موثوقية للدراسات المستقبلية للأغلفة الجوية للكواكب التي تدور حول نجوم نشطة للغاية.
يعد هذا البحث جزءًا من برنامج مسح GEMS. الهدف هو المراقبة المنتظمة للكواكب العملاقة العابرة التي تدور حول نجوم قزمة من النوع M وتوضيح عمليات تكوينها وبنيتها الداخلية وخصائص الغلاف الجوي. يضم الفريق المشارك أيضًا علماء الفلك في معهد كارنيجي للعلوم بيتر جاو، وجوانا تيسكي، ونيكول والاك، بالإضافة إلى أنجالي بييت، وهي الآن عضو هيئة تدريس وزميل سابق في جامعة كارنيجي لما بعد الدكتوراه.