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

Sintesi Tecnica: Il sondaggio ESO SupJup X: un contrasto nell'isotopo del carbonio nel giovane sistema ROXs 12

Problema e Contesto
I percorsi di formazione di super-Giove massicci con orbite ampie e di compagni sub-stellari rimangono oggetto di dibattito, con ipotesi concorrenti che suggeriscono una formazione tramite accrescimento del nucleo seguita da scattering, oppure tramite collasso gravitazionale e frammentazione simile a quella delle stelle. Mentre i rapporti elementari (ad es. C/O) sono stati a lungo proposti come traccianti della formazione, ricerche emergenti suggeriscono che i rapporti isotopici, in particolare $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, possano offrire intuizioni distinte. Si prevede che gli oggetti formati tramite collasso gravitazionale conservino l'impronta isotopica della loro nube molecolare genitrice, mentre quelli formati tramite accrescimento del nucleo possano ereditare i rapporti isotopici dei solidi del disco locale, i quali possono variare a causa della frazionazione. Il sondaggio ESO SupJup mira a testare queste ipotesi caratterizzando le composizioni atmosferiche di compagni sub-stellari e nane brune isolate. Questo lavoro si concentra sul sistema ROXs 12, una stella M0 giovane (~6 Myr) con un compagno nana bruna L0 (ROXs 12B) ampiamente separato, offrendo un'opportunità unica per confrontare direttamente le proprietà atmosferiche di un ospite e del suo compagno.

Metodologia
Gli autori hanno ottenuto spettri ad alta risoluzione nella banda K (1,92–2,48 $\mu$m) del sistema ROXs 12 utilizzando lo strumento CRIRES+ sul Very Large Telescope (VLT). Le osservazioni sono state condotte nel marzo 2023 con una fenditura di 0,4", sfruttando una sequenza di nodding ABBA per separare il compagno dalla stella ospite. La riduzione dei dati è stata eseguita utilizzando la pipeline excalibuhr, che include la correzione del campo piatto, la sottrazione del cielo e l'estrazione ottimale. Un passaggio critico ha coinvolto la modellazione della Funzione di Dispersione del Punto (PSF) della stella ospite con un profilo Lorentziano per sottrarre la luce stellare e isolare il debole segnale del compagno.

Le analisi di recupero atmosferico sono state condotte utilizzando il codice di trasferimento radiativo petitRADTRANS accoppiato all'algoritmo di campionamento annidato PyMultiNest. Il framework di recupero ha modellato le proprietà atmosferiche come parametri liberi, inclusi:

• Abbondanze chimiche: Rapporti di miscelazione volumetrica derivati da tabelle di equilibrio termo-chimico (calcolate con FastChem), recuperando specificamente C/O, metallicità ([Fe/H]) e rapporti isotopici ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ e $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$).
• Struttura termica: Un profilo pressione-temperatura (P-T) parametrizzato definito da gradienti di temperatura a livelli di pressione specifici.
• Effetti fisici: Gravità superficiale ($\log g$) vincolata da prior gaussiane basate su tracce evolutive, e velatura (eccesso di continuo da dischi circumstellari) modellata come componente di corpo nero.
• Allargamento: Velocità di rotazione proiettata ($v \sin i$) e coefficienti di oscuramento al bordo.

La funzione di verosimiglianza ha incorporato un Processo Gaussiano (GP) per tenere conto del rumore correlato, e la robustezza del recupero è stata validata attraverso un test di iniezione-recupero utilizzando uno spettro sintetico con parametri noti.

Risultati Chiave

1. Rilevamenti Molecolari: Lo studio conferma la presenza di $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ e HF sia nella stella ospite (ROXs 12A) che nel compagno (ROXs 12B). Viene riportato un rilevamento tentativo di $\text{H}_2^{18}\text{O}$ per ROXs 12B.
2. Rapporti Isotopici:
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$: I rapporti recuperati sono $77^{+10}_{-7}$ per ROXs 12A e $55^{+10}_{-7}$ per ROXs 12B. Sebbene entrambi siano coerenti con il valore del mezzo interstellare locale (ISM) ($68 \pm 15$), il compagno esibisce un rapporto misurabilmente inferiore rispetto all'ospite, sebbene la differenza non sia fortemente significativa (entro $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$: Per ROXs 12B, viene derivato un limite inferiore di $\gtrsim 300$, suggerendo un potenziale lieve arricchimento di $\text{H}_2^{18}\text{O}$ rispetto ai valori solari e dell'ISM, sebbene grandi incertezze impediscano un rilevamento definitivo.
3. Composizione Elementare:
   • Rapporto C/O: ROXs 12B produce un rapporto C/O di $0,54 \pm 0,01$, coerente con i valori solari e studi precedenti. Per ROXs 12A, viene recuperato un rapporto più alto di $0,87 \pm 0,01$; tuttavia, gli autori avvertono che questo valore è inaffidabile a causa dell'assenza di linee atomiche dell'ossigeno nella banda K, il che limita la capacità di vincolare il bilancio totale dell'ossigeno alle temperature fotosferiche dell'ospite.
   • Metallicità: ROXs 12A risulta avere una metallicità vicina a quella solare ($-0,06^{+0,02}_{-0,03}$), mentre ROXs 12B mostra una metallicità subsolare ($-0,53 \pm 0,03$). Gli autori notano che questo valore subsolare per il compagno potrebbe essere influenzato da degenerazioni con la velatura e la struttura termica, sebbene i test di iniezione suggeriscano che i rapporti isotopici siano robusti rispetto a questi effetti.
4. Velatura e Struttura Termica:
   • Velatura: Viene rilevato un coefficiente di velatura moderato di $r_k = 0,17^{+0,02}_{-0,03}$ per la stella ospite, coerente con un disco interno caldo. Non viene rilevata una velatura significativa per il compagno ($r_k < 0,03$), coerente con la non rilevazione di un disco di accrescimento massiccio attorno a ROXs 12B.
   • Profilo Termico: Il profilo P-T recuperato per ROXs 12B è più isotermo rispetto a quanto previsto dai modelli standard (ad es. Sonora Bobcat), esibendo gradienti di temperatura più dolci.

Significato e Conclusioni
Il documento conclude che il sistema ROXs 12 fornisce un caso di studio cruciale per vincolare i meccanismi di formazione di super-Giove con orbite ampie. Il rapporto C/O vicino al solare e il disallineamento spin-orbita (precedentemente riportato) favoriscono una formazione tramite collasso gravitazionale. Tuttavia, il rapporto $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ leggermente inferiore nel compagno rispetto all'ospite potrebbe essere interpretato come una firma di accrescimento del nucleo che coinvolge solidi del disco locale. Gli autori sottolineano che questo contrasto isotopico, sebbene solo marginalmente significativo, evidenzia la necessità di un campione più ampio per valutare la frequenza di tali variazioni.

Lo studio rafforza il fatto che i rapporti $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ nei sistemi giovani sono generalmente coerenti con l'ISM attuale, fungendo da potenziale indicatore di età. Il lavoro dimostra la capacità della spettroscopia ad alta risoluzione combinata con il recupero atmosferico di districare proprietà atmosferiche complesse, inclusi i rapporti isotopici, in sistemi giovani e ampiamente separati. Gli autori sostengono che, sebbene i dati attuali offrano intuizioni, la storia formativa di ROXs 12B rimane ambigua, rendendo necessarie ulteriori sforzi osservativi e di modellazione per collegare definitivamente le variazioni isotopiche a specifici percorsi di formazione.