[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次在原行星盘Oph-IRS 48中实现了对SO和SO2的稳健ALMA探测，这些富含氧的硫分子在空间上与非对称尘埃陷阱位置一致。作者将其归因于腔隙边缘冰的亚升华作用，并推导出C/O比值<1（可能为太阳值），挑战了以往认为温暖盘气相中C/O比值较高的假设，该假设源于易挥发物的耗竭。

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.

研究动机与目标

• 研究Oph-IRS 48盘中挥发性硫的含量，该系统具有一个巨大的非对称尘埃陷阱。
• 确定检测到的SO和SO2辐射的起源及其与尘埃形态的空间相关性。
• 利用CS/SO丰度比约束温气层中的气相C/O比值。
• 评估冰亚升华在塑造行星形成区域元素丰度中的作用。
• 评估此类盘中形成气态巨行星的元素组成影响。

提出的方法

• 利用亚角秒分辨率的高光谱分辨率ALMA观测，探测Oph-IRS 48盘中的SO、SO2和CS。
• 通过分子辐射与毫米波尘埃连续辐射的空间相关性分析，识别尘埃陷阱的关联性。
• 通过辐射转移建模和谱线轮廓拟合，测量SO和SO2的柱密度。
• 将观测到的CS/SO丰度比与化学模型比较，推断气相中的C/O比值。
• 通过将观测到的S/H比值与理论预期比较，估算挥发性硫的预算。
• 利用同位素体34SO2确认辐射起源，并减少发射分析中的光学厚度混淆。

实验结果

研究问题

• RQ1 Oph-IRS 48盘中显著SO和SO2辐射的起源是什么？
• RQ2 SO和SO2的空间分布如何与非对称尘埃陷阱相关联？
• RQ3 Oph-IRS 48温气层中的气相C/O比值是多少？与其他盘相比有何不同？
• RQ4 所检测到的含硫分子在总挥发性硫预算中占多大比例？
• RQ5 腔隙边缘的冰亚升华如何影响盘气相的元素组成？

主要发现

• 这是首次在Class II原行星盘中实现对SO2及其同位素体34SO2的稳健探测。
• SO和SO2的辐射与非对称尘埃陷阱在空间上相关，表明其起源于盘内，而非喷流或激波激发。
• 观测到的SO和SO2柱密度表明，挥发性硫预算占盘中预期总量的15%–100%。
• CS/SO丰度比<0.01，表明气相C/O比值<1，结合化学模型比较，其值可能为太阳值。
• 低CS/SO比值归因于腔隙边缘的冰亚升华，而非气相化学，这与C/O>1的其他盘形成对比。
• 研究结果表明，在此类腔隙中形成的气态巨行星可能吸积具有显著不同于更广阔盘区域中元素组成的行星大气。