The ESO SupJup Survey. X. A carbon isotope contrast in the young ROXs 12 system

Technische Zusammenfassung: Die ESO SupJup-Survey X: Ein Kohlenstoff-Isotopenkontrast im jungen ROXs 12-System

Problemstellung und Kontext
Die Entstehungswege massereicher Super-Jupiters mit weiten Umlaufbahnen und substellarer Begleiter bleiben Gegenstand von Debatten, wobei konkurrierende Hypothesen eine Entstehung durch Kernakkretion gefolgt von Streuung oder durch gravitativen Kollaps und Fragmentierung ähnlich wie bei Sternen vorschlagen. Während elementare Verhältnisse (z. B. C/O) lange als Entstehungstracer vorgeschlagen wurden, deuten neuere Forschungen darauf hin, dass Isotopenverhältnisse, insbesondere $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, spezifischere Einblicke bieten könnten. Objekte, die durch gravitativen Kollaps entstehen, sollten die isotopische Signatur ihrer parentalen Molekülwolke bewahren, während solche, die durch Kernakkretion entstehen, die Isotopenverhältnisse lokaler Scheibenfeststoffe erben können, die aufgrund von Fraktionierung variieren können. Die ESO SupJup-Survey zielt darauf ab, diese Hypothesen zu testen, indem sie die atmosphärischen Zusammensetzungen von substellaren Begleitern und isolierten Braunen Zwergen charakterisiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf das ROXs 12-System, einen jungen (~6 Myr) M0-Stern mit einem weit entfernten L0-Braunen Zwerg-Begleiter (ROXs 12B), was eine einzigartige Gelegenheit bietet, die atmosphärischen Eigenschaften eines Wirtssterns und seines Begleiters direkt zu vergleichen.

Methodik
Die Autoren erwarben hochauflösende K-Band-Spektren (1,92–2,48 $\mu$m) des ROXs 12-Systems mit dem CRIRES+-Instrument am Very Large Telescope (VLT). Die Beobachtungen wurden im März 2023 mit einer Spaltbreite von 0,4" durchgeführt, wobei eine ABBA-Nodding-Sequenz genutzt wurde, um den Begleiter vom Wirtsstern zu trennen. Die Datenreduktion erfolgte mit der excalibuhr-Pipeline, die Flatfielding, Sky-Subtraktion und optimale Extraktion umfasst. Ein kritischer Schritt bestand darin, die Point Spread Function (PSF) des Wirtssterns mit einem Lorentz-Profil zu modellieren, um das Sternenlicht zu subtrahieren und das schwache Signal des Begleiters zu isolieren.

Atmosphärische Retrieval-Analysen wurden mit dem Strahlungstransport-Code petitRADTRANS in Kopplung mit dem Nested-Sampling-Algorithmus PyMultiNest durchgeführt. Das Retrieval-Framework modellierte die atmosphärischen Eigenschaften als freie Parameter, einschließlich:

• Chemische Häufigkeiten: Volumenmischungsverhältnisse, abgeleitet aus thermochemischen Gleichgewichtstabellen (berechnet mit FastChem), wobei spezifisch C/O, Metallizität ([Fe/H]) und Isotopenverhältnisse ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ und $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$) ermittelt wurden.
• Thermische Struktur: Ein parametrisiertes Druck-Temperatur-Profil (P-T), definiert durch Temperaturgradienten bei spezifischen Druckniveaus.
• Physikalische Effekte: Die Schwerkraft ($\log g$), eingeschränkt durch Gaußsche Priorisierungen basierend auf Evolutionspfaden, und Veiling (Kontinuumsexzess von zirkumstellaren Scheiben), modelliert als Schwarzkörper-Komponente.
• Verbreiterung: Die projizierte Rotationsgeschwindigkeit ($v \sin i$) und Limb-Darkening-Koeffizienten.

Die Likelihood-Funktion integrierte einen Gaussian Process (GP), um korreliertes Rauschen zu berücksichtigen, und die Robustheit des Retrievals wurde durch einen Injection-Retrieval-Test mit einem synthetischen Spektrum bekannter Parameter validiert.

Hauptergebnisse

1. Molekül-Nachweise: Die Studie bestätigt das Vorhandensein von $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ und HF sowohl im Wirtsstern (ROXs 12A) als auch im Begleiter (ROXs 12B). Ein vorläufiger Nachweis von $\text{H}_2^{18}\text{O}$ wird für ROXs 12B berichtet.
2. Isotopenverhältnisse:
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$: Die ermittelten Verhältnisse betragen $77^{+10}_{-7}$ für ROXs 12A und $55^{+10}_{-7}$ für ROXs 12B. Obwohl beide mit dem Wert des lokalen interstellaren Mediums (ISM) ($68 \pm 15$) konsistent sind, weist der Begleiter ein messbar niedrigeres Verhältnis auf als der Wirt, wobei der Unterschied jedoch nicht stark signifikant ist (innerhalb von $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$: Für ROXs 12B wird eine Untergrenze von $\gtrsim 300$ abgeleitet, was auf eine potenzielle leichte Anreicherung von $\text{H}_2^{18}\text{O}$ im Vergleich zu solaren und ISM-Werten hindeutet, wobei große Unsicherheiten einen definitiven Nachweis verhindern.
3. Elementare Zusammensetzung:
   • C/O-Verhältnis: ROXs 12B ergibt ein C/O-Verhältnis von $0,54 \pm 0,01$, was mit solaren Werten und früheren Studien übereinstimmt. Für ROXs 12A wird ein höheres Verhältnis von $0,87 \pm 0,01$ ermittelt; die Autoren warnen jedoch, dass dieser Wert aufgrund des Fehlens atomarer Sauerstofflinien im K-Band unzuverlässig ist, was die Fähigkeit einschränkt, den gesamten Sauerstoffhaushalt bei den photosphärischen Temperaturen des Wirtssterns zu bestimmen.
   • Metallizität: ROXs 12A weist eine nahezu solare Metallizität ($-0,06^{+0,02}_{-0,03}$) auf, während ROXs 12B eine sub-solare Metallizität ($-0,53 \pm 0,03$) zeigt. Die Autoren stellen fest, dass dieser sub-solare Wert für den Begleiter durch Degeneriertheit mit Veiling und Temperaturstruktur beeinflusst sein könnte, obwohl Injection-Tests darauf hindeuten, dass die Isotopenverhältnisse gegenüber diesen Effekten robust sind.
4. Veiling und Thermische Struktur:
   • Veiling: Ein moderater Veiling-Koeffizient von $r_k = 0,17^{+0,02}_{-0,03}$ wird für den Wirtsstern nachgewiesen, was mit einer heißen inneren Scheibe konsistent ist. Für den Begleiter wird kein signifikantes Veiling nachgewiesen ($r_k < 0,03$), was mit dem Nicht-Nachweis einer massiven akkretierenden Scheibe um ROXs 12B übereinstimmt.
   • Thermisches Profil: Das ermittelte P-T-Profil für ROXs 12B ist isothermer als von Standardmodellen (z. B. Sonora Bobcat) vorhergesagt und weist flachere Temperaturgradienten auf.

Bedeutung und Schlussfolgerungen
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das ROXs 12-System einen entscheidenden Fall für die Einschränkung von Entstehungsmechanismen von Super-Jupitern mit weiten Umlaufbahnen bietet. Das nahezu solare C/O-Verhältnis und die Spin-Bahn-Fehlausrichtung (früher berichtet) sprechen für eine Entstehung durch gravitativen Kollaps. Das etwas niedrigere $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$-Verhältnis im Begleiter im Vergleich zum Wirt könnte jedoch als Signatur einer Kernakkretion unter Einbeziehung lokaler Scheibenfeststoffe interpretiert werden. Die Autoren betonen, dass dieser Isotopenkontrast, wenn auch nur marginal signifikant, die Notwendigkeit einer breiteren Stichprobe unterstreicht, um die Häufigkeit solcher Variationen zu bewerten.

Die Studie bekräftigt, dass $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$-Verhältnisse in jungen Systemen im Allgemeinen mit dem aktuellen ISM konsistent sind und als potenzieller Altersindikator dienen. Die Arbeit demonstriert die Fähigkeit der hochauflösenden Spektroskopie in Kombination mit atmosphärischem Retrieval, komplexe atmosphärische Eigenschaften, einschließlich Isotopenverhältnisse, in jungen, weit entfernten Systemen zu entwirren. Die Autoren vertreten die Auffassung, dass die aktuellen Daten zwar Einblicke bieten, die Entstehungsgeschichte von ROXs 12B jedoch weiterhin unklar bleibt, was weitere Beobachtungs- und Modellierungsbemühungen erfordert, um Isotopenvariationen eindeutig mit spezifischen Entstehungswegen zu verknüpfen.