[논문 리뷰] 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 Marel외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 66인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Oph-IRS 48에서 원형성행성계원반에서 SO 및 SO2의 첫 번째 강력한 ALMA 검출를 보고한다. 이 산화성 황 분자들은 비대칭 먼지 함정과 공간적으로 일치하며, 이는 고리 가장자리에서 얼음의 기화에 기인한 것으로 저자들이 설명한다. 이로 인해 기체상 C/O 비율이 1 미만(일반적으로 태양과 유사)임을 유도하며, 이는 이슬점 탈리로 인한 고환성 물질의 고갈에 기인한 이전의 고정관념을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Oph-IRS 48 원반의 비휘발성 황 화합물의 보존 상태를 조사하기 위해, 비대칭 먼지 함정이 큰 특이한 시스템을 대상으로 한다.
• 검출된 SO 및 SO2 방출의 기원과 먼지 형상과의 공간적 상관관계를 규명한다.
• CS/SO 농도 비율을 이용해 따뜻한 분자층의 기체상 C/O 비율을 제약한다.
• 얼음 기화가 행 星 형성 영역의 원소 농도를 어떻게 형성하는지 평가한다.
• 이러한 원반에서 형성되는 기계행성의 원소 조성에 대한 함의를 평가한다.

제안 방법

• Oph-IRS 48 원반에서 SO, SO2 및 CS를 검출하기 위해 고스펙트럼 해상도의 ALMA 관측을 수행한다.
• 분자 방출과 밀리미터 파장의 먼지 연속 스펙트럼 간의 공간적 상관관계 분석을 통해 먼지 함정 연관성을 규명한다.
• 복사전달 모델링과 선형형태 프로파일 피팅을 이용해 SO 및 SO2의 열역학적 농도를 측정한다.
• 관측된 CS/SO 농도 비율을 화학 모델과 비교하여 기체상 C/O 비율을 추론한다.
• 관측된 S/H 비율을 이론적 기대치와 비교하여 비휘발성 황 예산을 추정한다.
• 기원 확인 및 방출 분석에서 광학적 두께의 다중해석 문제를 줄이기 위해 이소토포울 34SO2를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Oph-IRS 48 원반에서 두드러진 SO 및 SO2 방출의 기원은 무엇인가?
• RQ2 SO 및 SO2의 공간 분포는 비대칭 먼지 함정과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 Oph-IRS 48의 따뜻한 분자층에서 기체상 C/O 비율은 얼마이며, 다른 원반과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 검출된 황 함유 분자는 총 비휘발성 황 예산의 어느 정도를 차지하는가?
• RQ5 고리 가장자리에서의 얼음 기화는 원반 기체의 원소 조성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 연구는 Class II 원형성행성계원반에서 SO2 및 그 이소토포울 34SO2의 첫 번째 강력한 검출이다.
• SO 및 SO2 방출은 비대칭 먼지 함정과 공간적으로 상관되어 있어, 외부 기체류나 충격 흥분보다 원반 기원임을 시사한다.
• 관측된 SO 및 SO2 열역학적 농도는 원반 내에서 기대되는 총량의 15~100%에 해당하는 비휘발성 황 예산을 암시한다.
• CS/SO 농도 비율이 <0.01이므로 기체상 C/O 비율이 <1임을 나타내며, 화학 모델 비교에 기반해 일반적으로 태양과 유사한 값을 가진다.
• 낮은 CS/SO 비율은 기체상 화학 반응이 아닌 고리 가장자리에서의 얼음 기화에 기인한 것으로 설명되며, 이는 다른 원반에서 C/O >1인 것과 대조된다.
• 이러한 결과는 이러한 고리 영역에서 형성되는 기계행성은 더 넓은 원반 영역에서 형성되는 것과는 상당히 다른 원소 조성의 대기를 수축할 수 있음을 시사한다.