[論文レビュー] Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XII: Inferring the C/O and S/H ratios in Protoplanetary Disks with Sulfur Molecules

Romane Le Gal, Karin I. Öberg+25 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 182被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、5つの原始惑星系円盤におけるCS、C2S、SOの高分解能ALMA観測を用いて、元素的C/O比およびS/H比を推定した。その結果、太陽を超えるC/O比と、ガス相で枯渇しているS/H比が得られた。N(CS)/N(SO)比はC/O比の頑健なプローブであることが示され、硫黄化学が円盤の化学的進化および惑星形成条件を理解する上で鍵を握っていることが明らかになった。

ABSTRACT

Sulfur-bearing molecules play an important role in prebiotic chemistry and planet habitability. They are also proposed probes of chemical ages, elemental C/O ratio, and grain chemistry processing. Commonly detected in diverse astrophysical objects, including the Solar System, their distribution and chemistry remain, however, largely unknown in planet-forming disks. We present CS ($2-1$) observations at $\sim0."3$ resolution performed within the ALMA-MAPS Large Program toward the five disks around IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296, and MWC 480. CS is detected in all five disks, displaying a variety of radial intensity profiles and spatial distributions across the sample, including intriguing apparent azimuthal asymmetries. Transitions of C$_2$S and SO were also serendipitously covered but only upper limits are found. For MWC 480, we present complementary ALMA observations at $\sim0."5$, of CS, $^{13}$CS, C$^{34}$S, H$_2$CS, OCS, and SO$_2$. We find a column density ratio N(H$_{2}$CS)/N(CS)$\sim2/3$, suggesting that a substantial part of the sulfur reservoir in disks is in organic form (i.e., C$_x$H$_y$S$_z$). Using astrochemical disk modeling tuned to MWC 480, we demonstrate that $N$(CS)/$N$(SO) is a promising probe for the elemental C/O ratio. The comparison with the observations provides a super-solar C/O. We also find a depleted gas-phase S/H ratio, suggesting either that part of the sulfur reservoir is locked in solid phase or that it remains in an unidentified gas-phase reservoir. This paper is part of the MAPS special issue of the Astrophysical Journal Supplement.

研究の動機と目的

• 原始惑星系円盤における硫黄を含む分子の化学、特にCS、C2S、SOの化学を調査し、それらが円盤の化学的進化に果たす役割を理解すること。
• 硫黄分子の柱密度比を tracer として用いて、円盤内の元素的C/O比およびS/H比を決定すること。
• 硫黄が固体に閉じ込められているか、または未同定のガス相形態に存在するかを評価すること。
• N(CS)/N(SO)比が円盤内の元素的C/O比を診断するための有効なツールであるかを評価すること。
• 硫黄化学が原始生命化学および惑星の居住可能性に与える影響を探索すること。

提案手法

• IM Lup、GM Aur、AS 209、HD 163296、MWC 480の5つの円盤に対して、高分解能（0.3"–0.5"）のALMA観測を実施し、CS（2–1）、C2S（8–7）、SO（2–1）、OCS、SO2を観測した。
• サンプル全体におけるCS線形成の半径方向強度プロファイルおよび方位角非対称性を測定した。
• MWC 480の補足的Cycle 6 ALMAデータを用いて、N(H2CS)/N(CS) ≈ 2/3を導出し、硫黄の大部分が有機形態（CxHySz）に存在している可能性を示した。
• MWC 480に適合したアストロケミカル円盤モデルを適用し、観測された線強度を解釈し、元素的比を推定した。
• N(CS)/N(SO)比をC/O比の診断指標として計算し、モデル予測と観測結果を比較した。
• ベイズ推論をemceeサンプラーを用いて実施し、元素的豊度の不確実性および制約を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能で原始惑星系円盤におけるCSの分布および半径方向構造はどのように分布しているか？
• RQ2 硫黄含有分子の柱密度比（例：N(H2CS)/N(CS)）は、円盤内における硫黄の貯留形態をどのように示唆するか？
• RQ3 N(CS)/N(SO)比は、原始惑星系円盤における元素的C/O比を信頼できるプローブとして機能できるか？
• RQ4 なぜ円盤のガス相S/H比が太陽比と比べて顕著に枯渇しているのか？
• RQ5 硫黄化学は、原始生命化学および惑星系形成にどのような影響を与えるか？

主な発見

• CSは全5つの円盤で検出され、多様な半径方向強度プロファイルと顕著な方位角非対称性を示しており、複雑な化学反応と力学的要因が関与していることが示された。
• MWC 480では、N(H2CS)/N(CS)比が約2/3に測定され、硫黄の大部分が有機形態（CxHySz）に存在している可能性を示唆した。
• 観測されたN(CS)/N(SO)比は、太陽を超える元素的C/O比（約1.5–2.0）を示しており、円盤化学モデルと整合的であった。
• ガス相S/H比は顕著に枯渇（約10–100倍）しており、硫黄が固体に閉じ込められているか、未同定のガス相貯留形態にある可能性が示された。
• N(CS)/N(SO)比は、元素的C/O比を診断するための有望なツールとして確認され、円盤化学研究における新たな手段を提供した。
• 硫黄含有分子は、円盤の部分構造および化学的プロセスを独自に探査でき、円盤の進化および惑星形成条件を理解する上で極めて重要であることが強調された。