[論文レビュー] A major asymmetric ice trap in a planet-forming disk: II. prominent SO and SO2 pointing to C/O < 1

Alice S. Booth, Nienke van der Marel+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 66被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Oph-IRS 48という、非対称なダストトラップを有する原始惑星系円盤において、SOおよびSO2の最初の堅牢なALMA検出を報告する。これらの酸素を多く含む硫黄分子は、空間的に非対称なダストトラップと一致しており、その存在はキャビティ端縁での氷の昇華に起因するとされる。C/O比が1未満（おそらく太陽系に近い値）であると導かれ、揮発性物質の欠落によって温い円盤ガスに高いC/O比が予想されるという従来の仮定に挑戦する。

ABSTRACT

Gas-phase sulphur bearing volatiles appear to be severely depleted in protoplanetary disks. The detection of CS and non-detections of SO and SO2 in many disks have shown that the gas in the warm molecular layer, where giant planets accrete their atmospheres, has a high C/O ratio. In this letter, we report the detection of SO and SO2 in the Oph-IRS 48 disk using ALMA. This is the first case of prominent SO2 emission detected from a protoplanetary disk. The molecular emissions of both molecules is spatially correlated with the asymmetric dust trap. We propose that this is due to the sublimation of ices at the edge of the dust cavity and that the bulk of the ice reservoir is coincident with the millimetre dust grains. Depending on the partition of elemental sulphur between refractory and volatile materials the observed molecules can account for 15-100% of the total sulphur budget in the disk. In strong contrast to previous results, we constrain the C/O ratio from the CS/SO ratio to be < 1 and potentially solar. This has important implications for the elemental composition of planets forming within the cavities of warm transition disks.

研究の動機と目的

• Oph-IRS 48円盤における揮発性硫黄の在庫を調査すること。この円盤は、巨大な非対称ダストトラップを有するユニークな系である。
• 検出されたSOおよびSO2の放射の起源と、ダストの形態との空間的相関を特定すること。
• CS/SOの濃度比を用いて、温い分子層における気体相のC/O比を制約すること。
• 氷の昇華が惑星形成領域における元素組成に与える影響を評価すること。
• このような円盤で形成されるガス惑星の元素組成に及ぼす意味を評価すること。

提案手法

• Oph-IRS 48円盤におけるSO、SO2およびCSの検出を目的とした、サブアーセコンド解像度の高スペクトル分解能ALMA観測。
• 分子放射とミリメートル波長のダスト連続スペクトルとの空間的相関分析により、ダストトラップの関連を特定。
• 放射線輸送モデルとラインプロファイルフィッティングを用いたSOおよびSO2の柱密度測定。
• 観測されたCS/SO濃度比を化学モデルと比較し、気体相におけるC/O比を推定。
• 理論的期待値と観測されたS/H比を比較して、揮発性硫黄予算の推定。
• 発光解析における光学厚さのデグレダシーを低減するため、同位体体34SO2の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Oph-IRS 48円盤における顕著なSOおよびSO2放射の起源は何か？
• RQ2 SOおよびSO2の空間的分布は、非対称なダストトラップとどのように関係しているか？
• RQ3 Oph-IRS 48の温い分子層における気体相のC/O比は何か？他の円盤と比較するとどうなるか？
• RQ4 検出された硫黄を含む分子は、総揮発性硫黄予算のどの程度を占めているか？
• RQ5 キャビティ端縁での氷の昇華は、円盤ガスの元素組成にどのように影響を与えるか？

主な発見

• これは、クラスIIの原始惑星系円盤においてSO2およびその同位体体34SO2が検出された最初の堅牢な検出である。
• SOおよびSO2の放射は、非対称なダストトラップと空間的に相関しており、アウトフローまたはショック励起ではなく、円盤由来であることを示唆している。
• 観測されたSOおよびSO2の柱密度は、円盤内に予想される全量の15～100％の揮発性硫黄予算を示している。
• CS/SO濃度比が0.01未満であるため、気体相のC/O比が1未満であると示され、化学モデルの比較から太陽系に近い値である可能性が高い。
• 低濃度のCS/SO比は、気体相化学ではなく、キャビティ端縁での氷の昇華に起因するとされ、他の円盤で観測されるC/O >1とは対照的である。
• これらの結果は、このようなキャビティで形成されるガス惑星が、より広範な円盤領域で形成される場合とは著しく異なる元素組成のオーラスを蓄積する可能性があることを示唆している。