[논문 리뷰] 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. Öberg외 25명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 182인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 다섯 개인 태행성원반에서 고해상도 ALMA 관측을 통해 CS, C2S, SO를 분석하여 원소 C/O 비율과 S/H 비율을 추정한다. 그 결과 초태양 C/O 비율과 기체상 S/H 비율의 빈도 감소를 확인하였다. 이는 N(CS)/N(SO) 비율이 C/O 비율을 신뢰할 수 있는 지표로 작용하며, 이는 원반 화학적 진화와 행성 형성 조건을 이해하는 데 있어 황 화학이 핵심임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 태행성원반 내 황 함유 분자 화학, 특히 CS, C2S, SO의 화학적 역할을 이해하기 위해 연구한다.
• 황 함유 분자의 열량 밀도 비율을 추적자로 사용하여 원반 내 원소 C/O 비율과 S/H 비율을 결정한다.
• 황 저장소가 고체에 갇혀 있거나 알려지지 않은 기체상 형태로 존재하는지 평가한다.
• N(CS)/N(SO) 비율이 원반 내 원소 C/O 비율을 진단하는 데 유용한 도구가 될 수 있는지 평가한다.
• 황 화학이 전생물 화학 및 행성의 거주 가능성에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296, MWC 480의 다섯 원반에서 CS (2–1), C2S (8–7), SO (2–1), OCS, SO2에 대해 고해상도(0.3"–0.5") ALMA 관측을 수행하였다.
• 표본 전체에 걸쳐 CS 방출의 반경 방향 강도 프로파일과 애자이멀 비대칭성을 측정하였다.
• MWC 480에 대해 보완적인 Cycle 6 ALMA 자료를 사용하여 N(H2CS)/N(CS) ≈ 2/3를 유도하였으며, 이는 유기 형태(CxHySz)로 존재하는 황의 상당 부분을 시사한다.
• 관측된 선 강도를 해석하기 위해 MWC 480에 맞춘 천체화학적 원반 모델을 적용하여 원소 비율을 추정하였다.
• N(CS)/N(SO) 비율을 C/O 비율의 진단 도구로 계산하고 모델 예측과 관측 결과를 비교하였다.
• 베이지안 추론을 사용하여 불확실성과 원소 농도 제약 조건을 유도하기 위해 emcee 샘플러를 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고각 해상도에서 태행성원반 내 CS의 분포와 반경 방향 구조는 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 황 함유 분자 열량 밀도 비율(예: N(H2CS)/N(CS))은 원반 내 황 저장소의 성격을 어떻게 밝혀내는가?
• RQ3 N(CS)/N(SO) 비율은 태행성원반 내 원소 C/O 비율을 신뢰할 수 있는 지표로 작용할 수 있는가?
• RQ4 왜 원반의 기체상 S/H 비율이 태양 농도보다 현저히 낮은가?
• RQ5 황 화학은 전생물 화학과 행성계 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 다섯 원반에서 CS를 검출하였으며, 다양한 반경 방향 강도 프로파일과 명백한 애자이멀 비대칭성을 보였으며, 이는 복잡한 화학 반응과 역학적 상호작용을 시사한다.
• MWC 480에서 N(H2CS)/N(CS) 비율은 약 2/3로 측정되어, 황의 상당 부분이 유기 형태(CxHySz)로 존재함을 시사한다.
• 관측된 N(CS)/N(SO) 비율은 약 1.5–2.0의 초태양 원소 C/O 비율을 암시하며, 원반 화학 모델과 일치한다.
• 기체상 S/H 비율은 현저히 낮아(약 10–100배 감소), 황이 고체에 갇혀 있거나 알려지지 않은 기체상 저장소에 존재할 가능성이 높다.
• N(CS)/N(SO) 비율이 원소 C/O 비율을 진단하는 데 유망한 도구로 확인되었으며, 원반 화학 연구에 새로운 도구를 제공한다.
• 황 함유 분자는 원반의 하위구조와 화학적 가공을 유일하게 탐지할 수 있으며, 이는 원반 진화와 행성 형성 조건을 이해하는 데 있어 그 중요성을 강조한다.