Les astronomes ont utilisé le télescope spatial James Webb (JWST) pour effectuer des observations plus approfondies de TOI-5205 b, une exoplanète géante connue sous le nom de « planète interdite », et ont découvert que la teneur en éléments lourds dans son atmosphère est inhabituellement faible, même inférieure à celle de l'étoile mère sur laquelle elle orbite. Cette découverte remet directement en question la théorie traditionnelle de la formation et de l’évolution des planètes.


Des recherches pertinentes ont été publiées dans The Astronomical Journal, dirigées par Caleb Cañas du Goddard Space Flight Center de la NASA, et auxquelles ont participé Shubham Kanodia de la Carnegie Institution for Science et une équipe de recherche multinationale.

TOI-5205 b est de taille similaire à Jupiter, mais son étoile mère est une naine rouge beaucoup plus petite : son rayon stellaire est environ quatre fois celui de Jupiter et sa masse est d'environ 40 % de celle du Soleil. Lorsqu'une planète passe devant une étoile dans le champ de vision de la Terre, elle bloque environ 6 % de la luminosité de l'étoile. Les scientifiques utilisent des spectromètres pour analyser les changements de lumière de différentes longueurs d'onde au cours du transit, inversant ainsi la composition chimique de l'atmosphère de la planète et déduisant l'histoire de sa formation.

Selon la théorie dominante, les planètes naissent dans des disques rotatifs de gaz et de poussière autour de jeunes étoiles, et les planètes géantes évoluent généralement dans des disques riches en matière. Cependant, à proximité d’une étoile plus petite et plus froide comme TOI-5205, se trouve une énorme planète en orbite proche. Un tel rapport planète-étoile et une telle configuration orbitale sont difficiles à expliquer raisonnablement avec les modèles existants, c'est pourquoi on l'appelle une « planète interdite ».

Pour étudier systématiquement ces planètes « anormales », Kanodia, Cañas et Jessica Libby-Roberts de l'Université de Tampa dirigent la mise en œuvre de l'un des plus grands projets d'observation d'exoplanètes du deuxième cycle du JWST - le projet « Red Dwarfs and the Seven Giants », se concentrant spécifiquement sur ce type de planètes géantes en orbite autour de naines de type M, collectivement connues sous le nom de GEMS (exoplanètes géantes et systèmes nains M).

TOI-5205 b a été initialement découvert par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA et marqué comme candidat. Kanodia a confirmé l'existence de la planète grâce à des observations de suivi en 2023 et est actuellement l'un des principaux membres de l'équipe qui a utilisé JWST pour produire la première caractérisation détaillée de son atmosphère.

Grâce à l’analyse des données de trois événements de transit, l’équipe a découvert que l’abondance d’éléments lourds par rapport à l’hydrogène dans l’atmosphère de TOI-5205 b est non seulement inférieure à celle de Jupiter, mais même inférieure à celle de son étoile mère. Ceci est contraire à ce que les gens attendent généralement des planètes géantes : généralement, les planètes géantes sont enrichies de plus d'éléments lourds lors de leur formation, de sorte que leur « métallicité » globale a tendance à être supérieure à celle de leurs étoiles hôtes. Les observations ont également détecté la présence de méthane (CH₄) et de sulfure d'hydrogène (H₂S) dans l'atmosphère de la planète, fournissant ainsi davantage d'indices sur sa structure chimique.

Pour comprendre le phénomène de « pauvreté en métaux » observé dans l'atmosphère, Simon Muller et Ravit Helled de l'Université de Zurich ont utilisé des modèles de la structure interne de la planète pour en déduire la composition globale de TOI-5205 b. Les résultats indiquent que la « métallicité » globale de la planète est probablement environ 100 fois supérieure à la composition de l’atmosphère mesurée par les méthodes de transit. Bref, l’intérieur de la planète est riche en éléments lourds, mais ces éléments lourds ne sont pas efficacement mélangés à l’atmosphère.

Kanodia, co-auteur de l'article, a expliqué qu'il existe un écart évident entre la teneur globale en métaux attendue par le modèle et la teneur en métaux atmosphérique observée, ce qui suggère que pendant le processus de formation de la planète, les éléments lourds ont tendance à migrer vers l'intérieur et sont « enfermés » dans les profondeurs intérieures, et que l'efficacité du mélange des matériaux avec l'atmosphère extérieure est faible. Sur la base de diverses preuves, l'équipe estime que TOI-5205 b possède un environnement atmosphérique anormal, « riche en carbone et pauvre en oxygène ».

Lors du traitement des données, les chercheurs ont également spécifiquement inclus l'influence des taches solaires de l'étoile mère. Les régions plus sombres à la surface de ces étoiles modifieront les caractéristiques spectrales observées de manière subtile : en augmentant l’intensité relative de certaines bandes tout en masquant les signaux atmosphériques potentiels. S’il n’est pas corrigé, il est facile de biaiser la détermination de la composition atmosphérique. Wallack et Kanodia vérifient actuellement cette méthode de correction dans une nouvelle observation JWST, dans l'espoir de fournir un cadre d'observation et d'analyse plus fiable pour les études futures de l'atmosphère des planètes autour d'étoiles très actives.

Cette recherche fait partie du programme d'enquête GEMS. L’objectif est d’observer systématiquement les planètes géantes en transit en orbite autour d’étoiles naines de type M et de clarifier leurs processus de formation, leurs structures internes et leurs propriétés atmosphériques. L’équipe participante comprend également les astronomes de la Carnegie Institution for Science Peter Gao, Johanna Teske et Nicole Wallack, ainsi qu’Anjali Piette, aujourd’hui membre du corps professoral et ancienne boursière postdoctorale de Carnegie.