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

Resumen Técnico: La Encuesta ESO SupJup X: Un contraste de isótopos de carbono en el joven sistema ROXs 12

Problema y Contexto
Las vías de formación de súper-Júpiteres masivos de órbita amplia y compañeros subestelares siguen siendo objeto de debate, con hipótesis competidoras que sugieren una formación mediante acreción de núcleo seguida de dispersión, o mediante colapso gravitacional y fragmentación similar a las estrellas. Si bien las relaciones elementales (p. ej., C/O) han sido propuestas durante mucho tiempo como trazadores de formación, investigaciones emergentes sugieren que las relaciones isotópicas, específicamente $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, pueden ofrecer perspectivas distintivas. Se espera que los objetos formados mediante colapso gravitacional retengan la firma isotópica de su nube molecular progenitora, mientras que aquellos formados mediante acreción de núcleo pueden heredar las relaciones isotópicas de los sólidos locales del disco, las cuales pueden variar debido a la fraccionación. La Encuesta ESO SupJup tiene como objetivo poner a prueba estas hipótesis caracterizando las composiciones atmosféricas de compañeros subestelares y enanas marrones aisladas. Este trabajo se centra en el sistema ROXs 12, una estrella M0 joven (~6 Myr) con un compañero de enana marrón L0 de separación amplia (ROXs 12B), proporcionando una oportunidad única para comparar directamente las propiedades atmosféricas de una estrella anfitriona y su compañero.

Metodología
Los autores obtuvieron espectros de alta resolución en banda K (1.92–2.48 $\mu$m) del sistema ROXs 12 utilizando el instrumento CRIRES+ en el Very Large Telescope (VLT). Las observaciones se realizaron en marzo de 2023 con una abertura de rendija de 0.4", utilizando una secuencia de oscilación ABBA para separar al compañero de la estrella anfitriona. La reducción de datos se realizó mediante el pipeline excalibuhr, que incluye corrección de campo plano, sustracción del cielo y extracción óptima. Un paso crítico implicó modelar la Función de Dispersión de Puntos (PSF) de la estrella anfitriona con un perfil Lorentziano para restar la luz estelar y aislar la señal débil del compañero.

Se realizaron análisis de recuperación atmosférica utilizando el código de transferencia radiativa petitRADTRANS acoplado con el algoritmo de muestreo anidado PyMultiNest. El marco de recuperación modeló las propiedades atmosféricas como parámetros libres, incluyendo:

• Abundancias químicas: Relaciones de mezcla en volumen derivadas de tablas de equilibrio termoquímico (calculadas con FastChem), recuperando específicamente C/O, metalicidad ([Fe/H]) y relaciones isotópicas ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ y $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$).
• Estructura térmica: Un perfil presión-temperatura (P-T) parametrizado definido por gradientes de temperatura en niveles de presión específicos.
• Efectos físicos: Gravedad superficial ($\log g$) restringida por priores gaussianos basados en trayectorias evolutivas, y velado (exceso de continuo de discos circumstelares) modelado como un componente de cuerpo negro.
• Ensanchamiento: Velocidad de rotación proyectada ($v \sin i$) y coeficientes de oscurecimiento de bordes.

La función de verosimilitud incorporó un Proceso Gaussiano (GP) para tener en cuenta el ruido correlacionado, y la robustez de la recuperación se validó mediante una prueba de inyección-recuperación utilizando un espectro sintético con parámetros conocidos.

Resultados Clave

1. Detecciones Moleculares: El estudio confirma la presencia de $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ y HF tanto en la estrella anfitriona (ROXs 12A) como en el compañero (ROXs 12B). Se reporta una detección tentativa de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ para ROXs 12B.
2. Relaciones Isotópicas:
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$: Las relaciones recuperadas son $77^{+10}_{-7}$ para ROXs 12A y $55^{+10}_{-7}$ para ROXs 12B. Aunque ambas son consistentes con el valor del medio interestelar local (ISM) ($68 \pm 15$), el compañero exhibe una relación mediblemente más baja que la anfitriona, aunque la diferencia no es fuertemente significativa (dentro de $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$: Para ROXs 12B, se deriva un límite inferior de $\gtrsim 300$, lo que sugiere un posible ligero enriquecimiento de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ en comparación con los valores solares y del ISM, aunque grandes incertidumbres impiden una detección definitiva.
3. Composición Elemental:
   • Relación C/O: ROXs 12B arroja una relación C/O de $0.54 \pm 0.01$, consistente con valores solares y estudios anteriores. Para ROXs 12A, se recupera una relación más alta de $0.87 \pm 0.01$; sin embargo, los autores advierten que este valor es poco fiable debido a la ausencia de líneas de oxígeno atómico en la banda K, lo que limita la capacidad de restringir el presupuesto total de oxígeno a las temperaturas fotosféricas de la anfitriona.
   • Metalicidad: Se encuentra que ROXs 12A tiene una metalicidad cercana a la solar ($-0.06^{+0.02}_{-0.03}$), mientras que ROXs 12B muestra una metalicidad subsolar ($-0.53 \pm 0.03$). Los autores señalan que este valor subsolar para el compañero puede verse influenciado por degeneraciones con el velado y la estructura de temperatura, aunque las pruebas de inyección sugieren que las relaciones isotópicas son robustas frente a estos efectos.
4. Velado y Estructura Térmica:
   • Velado: Se detecta un coeficiente de velado moderado de $r_k = 0.17^{+0.02}_{-0.03}$ para la estrella anfitriona, consistente con un disco interno caliente. No se detecta un velado significativo para el compañero ($r_k < 0.03$), consistente con la no detección de un disco acrecionador masivo alrededor de ROXs 12B.
   • Perfil Térmico: El perfil P-T recuperado para ROXs 12B es más isotérmico de lo predicho por modelos estándar (p. ej., Sonora Bobcat), exhibiendo gradientes de temperatura más superficiales.

Significado y Conclusiones
El artículo concluye que el sistema ROXs 12 proporciona un caso de estudio crucial para restringir los mecanismos de formación de súper-Júpiteres de órbita amplia. La relación C/O cercana a la solar y la desalineación espín-órbita (informada previamente) favorecen una formación mediante colapso gravitacional. Sin embargo, la relación $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ ligeramente más baja en el compañero en comparación con la anfitriona podría interpretarse como una firma de acreción de núcleo que involucra sólidos locales del disco. Los autores enfatizan que este contraste isotópico, aunque solo marginalmente significativo, resalta la necesidad de una muestra más amplia para evaluar la frecuencia de tales variaciones.

El estudio refuerza que las relaciones $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ en sistemas jóvenes son generalmente consistentes con el ISM actual, sirviendo como un posible indicador de edad. El trabajo demuestra la capacidad de la espectroscopia de alta resolución combinada con la recuperación atmosférica para desentrañar propiedades atmosféricas complejas, incluidas las relaciones isotópicas, en sistemas jóvenes y ampliamente separados. Los autores mantienen que, aunque los datos actuales ofrecen perspectivas, la historia de formación de ROXs 12B sigue siendo ambigua, lo que hace necesarias mayores esfuerzos observacionales y de modelado para vincular definitivamente las variaciones isotópicas con vías de formación específicas.