AB Aur, a Rosetta stone for studies of planet formation (IV): C/O estimates from CS and SO interferometric observations

技術要約：AB Aur、惑星形成研究のロゼッタ・ストーン (IV)：CSおよびSOの干渉計観測によるC/O比の推定

問題と背景
原始惑星系円盤は惑星の誕生の場であり、惑星の大気組成を決定する初期の化学組成を設定する。この文脈において極めて重要なパラメータは炭素・酸素比（C/O比）であり、これは惑星の鉱物学や大気化学に影響を与える。硫黄は宇宙で10番目に多い元素であるが、その化学は星間物質（ISM）や原始惑星系円盤においては未解明な部分が多く、高密度ガス中では宇宙の標準的な値と比較して著しい欠乏を示すことが多い。さらに、惑星は円盤のミッドプレーン（中間面）で形成されるが、ほとんどの分子トレーサーは上層の「温かい分子層」に由来するため、惑星形成領域の研究を複雑にしている。本研究は、CS/SOの存在比を用いることで、AB Aurの原始惑星系円盤における硫黄の存在量とC/O比を制約するという、従来はSOの検出が困難であった手法を用いた課題に取り組んでいる。

手法
著者らは、2022年初頭にIRAM NOEMAアレイ（プロジェクトW21BA）を用いて得られた、AB Aurに対するCS 3-2遷移の新しい干渉計観測データを提示している。これらのデータは、既存のSO（プロジェクト2021.1.00690）のALMA観測、および他の分子種（HCN、HCO+、CO同位体、H2CO、H2S）に関する過去のNOEMA観測と組み合わされている。

解析は、厳密な多段階プロセスに従って行われた：

1. 運動学的特性評価： 速度積分強度マップ（モーメント0）、第一モーメントマップ（強度重み付き速度）、および第二モーメントマップが生成された。円盤の傾斜角（$i$）と位置角（PA）は、eddyコード（Teague 2019）およびbettermomentsを用いて、複数の分子種の第一モーメントマップをフィッティングすることで導出された。
2. ケプラー運動によるマスキング： 導出された円盤パラメータ（$i \approx 22^\circ$, $PA \approx 237^\circ$, $M_* = 2.4 M_\odot$, $d = 155.9$ pc）を用いてケプラーマスクを作成し、非ケプラー運動（例：スパイラル、ストリーマー）からケプラー運動による放射を分離した。これにより、クリーンなカラム密度マップの作成と、残留する非ケプラー的特徴の特定が可能となった。
3. カラム密度推定： 局所熱力学的平衡（LTE）およびガス温度30 Kにおける光学的薄い放射を仮定し、CSおよびSOのカラム密度を計算した。
4. 化学モデル： 観測データは、ガス対ダスト質量比、硫黄存在量（[S/H]）、およびC/O比の3つの主要パラメータを変化させたNAUTILUSアストロケミカルモデル（Rivière-Marichalar et al. 2020）のスイートと比較された。モデルにはキャビティ（$R_{in}=100$ au, $R_{out}=300$ au）を含めるよう調整され、観測のビームサイズに合わせて畳み込みが行われた。

主な結果

• 円盤の幾何学： 解析により、円盤の傾斜角が $22.0^\circ \pm 0.5^\circ$、位置角が $237.0^\circ \pm 0.7^\circ$ であることが確認され、これは観測されたすべての分子種において一致している。
• 空間分布： CS 3-2の放射は、SO（$\sim 1.4''$）とH2S（$\sim 1.2''$）のピークの間に位置する、$\sim 1.3''$（$\sim 212$ au）でピークとなるリングを形成している。CSのリング幅（FWHM）は約 $0.86''$（$\sim 141$ au）である。
• 運動学： CS、H2S、およびSOは主にケプラー運動を示し、有意な非ケプラー的残留成分は$3\sigma$レベルで見られなかった。対照的に、CO同位体は大規模なスパイラルアームやストリーマーを辿る強い非ケプラー的残留を示し、HCO+は、ずれのあった内側円盤および候補惑星AB Aur bに関連する残留を示した。このことは、CSやH2SがCOよりも静穏なミッドプレーンの優れたトレーサーであることを示唆している。
• 化学的分離： 調査された分子種の放射ピークと結合エネルギーとの間に相関は見られず、熱的な脱離がこの円盤における化学的分離の主要な要因ではないことを示している。
• C/O比および硫黄存在量：
  • 観測されたCS/SOカラム密度比は1.8から2.6の範囲にあり、ダストトラップ付近では2.0を超える局所的な変動が見られる。
  • NAUTILUSモデルとの比較により、観測された高いCS/SO比を再現できるのは、C/O比が $\gtrsim 1$ のモデルのみであることが示された。
  • データは強い硫黄の欠乏を示しており、導出された硫黄存在量は [S/H] $\approx 8 \times 10^{-8}$ であり、宇宙の標準値（$\sim 1.5 \times 10^{-5}$）よりも大幅に低い。
  • 最適な適合モデルの構成は、C/O比が1.0、ガス対ダスト質量比が40、そして欠乏した硫黄存在量を含むものである。しかし、著者らは、単一のモデルでは全ての観測された分子種（特にH2COおよびHCO+）の動径プロファイルを同時に再現することには成功していないと指摘している。

意義と主張
本論文は、AB Aurを惑星形成の化学を理解するための重要なケーススタディ（「ロゼッタ・ストーン」）として位置づけている。主な意義は、高いCS/SO比に基づき、AB Aur円盤のC/O比が $\gtrsim 1$ であることを導出した点にある。これは、$\sim 93$ auに位置する候補惑星AB Aur bを含む、残りの円盤内で形成される惑星が、太陽系惑星とは異なる炭素に富んだ大気や鉱物を持つ可能性が高いことを意味している。

著者らは、CS/SO比がC/O $\approx 1$ と低硫黄存在量を支持する強力な制約を与える一方で、現在の化学ネットワークがCS、SO、およびH2Sの存在量を同時に再現できないことは、硫黄含有種子の形成および破壊の経路において、現在のモデルに欠落している重要な経路が存在することを示唆している、と控えめに結論付けている。さらに、本研究は、乱流や非ケプラー的動力学（ストリーマーによる円盤への衝突など）が分子存在量を大きく変化させる可能性があり、それが静穏な円盤モデルによる解釈を困難にしていることを強調している。