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

Résumé technique : La campagne SupJup de l'ESO X : Un contraste d'isotopes du carbone dans le jeune système ROXs 12

Problème et contexte
Les voies de formation des super-Jupiters massifs à large orbite et des compagnons substellaires restent un sujet de débat, avec des hypothèses concurrentes suggérant une formation par accrétion de noyau suivie d'une diffusion, ou par effondrement gravitationnel et fragmentation similaire aux étoiles. Alors que les rapports élémentaires (par exemple, C/O) ont longtemps été proposés comme traceurs de formation, des recherches émergentes suggèrent que les rapports isotopiques, spécifiquement $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, pourraient offrir des perspectives distinctes. Les objets formés par effondrement gravitationnel devraient conserver la signature isotopique de leur nuage moléculaire parent, tandis que ceux formés par accrétion de noyau pourraient hériter des rapports isotopiques des solides locaux du disque, qui peuvent varier en raison de la fractionnement. La campagne SupJup de l'ESO vise à tester ces hypothèses en caractérisant les compositions atmosphériques des compagnons substellaires et des naines brunes isolées. Ce travail se concentre sur le système ROXs 12, une étoile M0 jeune (~6 Myr) avec un compagnon naine brune L0 largement séparé (ROXs 12B), offrant une opportunité unique de comparer directement les propriétés atmosphériques d'un hôte et de son compagnon.

Méthodologie
Les auteurs ont obtenu des spectres haute résolution dans la bande K (1,92–2,48 $\mu$m) du système ROXs 12 en utilisant l'instrument CRIRES+ sur le Very Large Telescope (VLT). Les observations ont été menées en mars 2023 avec une fente de 0,4", utilisant une séquence de basculement ABBA pour séparer le compagnon de l'étoile hôte. La réduction des données a été effectuée à l'aide du pipeline excalibuhr, qui inclut le lissage du champ plat, la soustraction du ciel et l'extraction optimale. Une étape critique a consisté à modéliser la fonction d'étalement du point (PSF) de l'étoile hôte avec un profil lorentzien pour soustraire la lumière stellaire et isoler le signal faible du compagnon.

Les analyses de récupération atmosphérique ont été menées à l'aide du code de transfert radiatif petitRADTRANS couplé à l'algorithme d'échantillonnage imbriqué PyMultiNest. Le cadre de récupération a modélisé les propriétés atmosphériques comme des paramètres libres, incluant :

• Abondances chimiques : Rapports de mélange volumique dérivés de tables d'équilibre thermo-chimique (calculées avec FastChem), spécifiquement la récupération du C/O, de la métallicité ([Fe/H]) et des rapports isotopiques ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ et $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$).
• Structure thermique : Un profil pression-température (P-T) paramétrisé défini par des gradients de température à des niveaux de pression spécifiques.
• Effets physiques : La gravité de surface ($\log g$) contrainte par des priors gaussiens basés sur des pistes évolutives, et le voilement (excès de continuum provenant de disques circumstellaires) modélisé comme un composant de corps noir.
• Élargissement : La vitesse de rotation projetée ($v \sin i$) et les coefficients d'assombrissement central.

La fonction de vraisemblance a incorporé un processus gaussien (GP) pour tenir compte du bruit corrélé, et la robustesse de la récupération a été validée par un test d'injection-récupération utilisant un spectre synthétique avec des paramètres connus.

Résultats clés

1. Détections moléculaires : L'étude confirme la présence de $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ et HF à la fois dans l'étoile hôte (ROXs 12A) et dans le compagnon (ROXs 12B). Une détection préliminaire de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ est rapportée pour ROXs 12B.
2. Rapports isotopiques :
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ : Les rapports récupérés sont de $77^{+10}_{-7}$ pour ROXs 12A et de $55^{+10}_{-7}$ pour ROXs 12B. Bien que les deux soient cohérents avec la valeur du milieu interstellaire (MIS) local ($68 \pm 15$), le compagnon présente un rapport mesurablement plus faible que l'hôte, bien que la différence ne soit pas fortement significative (dans les $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$ : Pour ROXs 12B, une limite inférieure de $\gtrsim 300$ est dérivée, suggérant un enrichissement potentiel léger de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ par rapport aux valeurs solaires et du MIS, bien que de grandes incertitudes empêchent une détection définitive.
3. Composition élémentaire :
   • Rapport C/O : ROXs 12B donne un rapport C/O de $0,54 \pm 0,01$, cohérent avec les valeurs solaires et les études précédentes. Pour ROXs 12A, un rapport plus élevé de $0,87 \pm 0,01$ est récupéré ; cependant, les auteurs mettent en garde que cette valeur est peu fiable en raison de l'absence de raies d'oxygène atomique dans la bande K, ce qui limite la capacité à contraindre le budget total d'oxygène aux températures photosphériques de l'hôte.
   • Métallicité : ROXs 12A présente une métallicité proche du solaire ($-0,06^{+0,02}_{-0,03}$), tandis que ROXs 12B montre une métallicité subsolaire ($-0,53 \pm 0,03$). Les auteurs notent que cette valeur subsolaire pour le compagnon pourrait être influencée par des dégénérescences avec le voilement et la structure de température, bien que les tests d'injection suggèrent que les rapports isotopiques sont robustes face à ces effets.
4. Voilement et structure thermique :
   • Voilement : Un coefficient de voilement modéré de $r_k = 0,17^{+0,02}_{-0,03}$ est détecté pour l'étoile hôte, cohérent avec un disque interne chaud. Aucun voilement significatif n'est détecté pour le compagnon ($r_k < 0,03$), cohérent avec la non-détection d'un disque d'accrétion massif autour de ROXs 12B.
   • Profil thermique : Le profil P-T récupéré pour ROXs 12B est plus isotherme que prévu par les modèles standards (par exemple, Sonora Bobcat), présentant des gradients de température plus faibles.

Signification et conclusions
L'article conclut que le système ROXs 12 fournit une étude de cas cruciale pour contraindre les mécanismes de formation des super-Jupiters à large orbite. Le rapport C/O proche du solaire et la désalignement spin-orbite (déjà rapporté) favorisent une formation par effondrement gravitationnel. Cependant, le rapport $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ légèrement plus faible dans le compagnon par rapport à l'hôte pourrait être interprété comme une signature d'accrétion de noyau impliquant des solides locaux du disque. Les auteurs soulignent que ce contraste isotopique, bien que seulement marginalement significatif, met en lumière la nécessité d'un échantillon plus large pour évaluer la fréquence de telles variations.

L'étude renforce le fait que les rapports $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ dans les jeunes systèmes sont généralement cohérents avec le MIS actuel, servant d'indicateur d'âge potentiel. Le travail démontre la capacité de la spectroscopie haute résolution combinée à la récupération atmosphérique pour démêler des propriétés atmosphériques complexes, y compris les rapports isotopiques, dans des systèmes jeunes et largement séparés. Les auteurs maintiennent que si les données actuelles offrent des perspectives, l'histoire de formation de ROXs 12B reste ambiguë, nécessitant de nouveaux efforts observationnels et de modélisation pour relier définitivement les variations isotopiques à des voies de formation spécifiques.