[论文解读] 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 69

一句话总结

本研究利用ALMA对五颗原行星盘中CS、C2S和SO的高分辨率观测，推断出元素C/O和S/H比值，发现C/O比值高于太阳系，而气相S/H比值则显著贫化。研究证明N(CS)/N(SO)是C/O的稳健示踪剂，揭示硫化学在理解盘化学演化及行星形成条件中具有关键作用。

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.

研究动机与目标

• 研究原行星盘中含硫分子的化学，特别是CS、C2S和SO，以理解其在盘化学演化中的作用。
• 利用含硫分子的柱密度比作为示踪剂，确定盘中元素C/O和S/H比值。
• 评估硫是否被锁在固态物质中或以未识别的气相形式存在。
• 评估N(CS)/N(SO)作为盘中元素C/O比诊断工具的潜力。
• 探讨硫化学对前生物化学及行星宜居性的影响。

提出的方法

• 对五颗盘（IM Lup、GM Aur、AS 209、HD 163296和MWC 480）进行了高分辨率（0.3"–0.5"）ALMA观测，波段覆盖CS（2–1）、C2S（8–7）、SO（2–1）、OCS和SO2。
• 测量了样本中CS发射的径向强度分布和方位不对称性。
• 利用MWC 480的补充Cycle 6 ALMA数据，得出N(H2CS)/N(CS) ≈ 2/3，表明大量硫存在于有机物形式（CxHySz）中。
• 应用针对MWC 480校准的星际化学盘模型，解释观测到的谱线强度并推断元素比值。
• 计算N(CS)/N(SO)作为C/O比的诊断工具，并将模型预测与观测结果对比。
• 使用贝叶斯推断与emcee采样器，推导元素丰度的不确定性与约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高角分辨率下，原行星盘中CS的分布与径向结构如何？
• RQ2 含硫分子的柱密度比（如N(H2CS)/N(CS)）如何揭示盘中硫储库的性质？
• RQ3 N(CS)/N(SO)比值能否作为原行星盘中元素C/O比的可靠示踪？
• RQ4 为何盘中气相S/H比值显著低于太阳丰度？
• RQ5 硫化学对前生物化学与行星系统形成有何影响？

主要发现

• 在所有五颗盘中均检测到CS，其径向强度分布多样且存在明显的方位不对称性，表明化学与动力学过程复杂。
• 在MWC 480中，测得N(H2CS)/N(CS)比值约为2/3，表明大量硫以有机物形式（CxHySz）存在。
• 观测到的N(CS)/N(SO)比值表明元素C/O比约为1.5–2.0，为超太阳系水平，与盘化学模型一致。
• 气相S/H比值显著贫化（约低10–100倍），表明硫可能被锁在固态物质中或存在于未识别的气相储库中。
• N(CS)/N(SO)比值被证实是元素C/O比的有力诊断工具，为盘化学研究提供了新方法。
• 含硫分子独特地揭示了盘的亚结构与化学演化过程，凸显其在理解盘演化与行星形成条件中的重要性。