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

Technische Samenvatting: De ESO SupJup Survey X: Een koolstofisotoopcontrast in het jonge ROXs 12-systeem

Probleem en Context
De vormingspaden van massieve super-Jupiters met een wijde baan en substerrenachtige begeleiders blijven een onderwerp van debat, met concurrerende hypotheses die vorming via kernaccretie gevolgd door verstrooiing suggereren, of via gravitationele instorting en fragmentatie, vergelijkbaar met sterren. Hoewel elementverhoudingen (bijv. C/O) lang als vormingstracers zijn voorgesteld, suggereert opkomend onderzoek dat isotoopverhoudingen, specifiek $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, mogelijk unieke inzichten bieden. Objecten die via gravitationele instorting zijn gevormd, worden geacht de isotopische signatuur van hun oudermoleculaire wolk te behouden, terwijl die welke via kernaccretie zijn gevormd, de isotopische verhoudingen van lokale schijf-vaste stoffen kunnen erven, die kunnen variëren door fractionering. De ESO SupJup Survey heeft tot doel deze hypotheses te toetsen door de atmosferische samenstellingen van substerrenachtige begeleiders en geïsoleerde bruine dwergen te karakteriseren. Dit werk richt zich op het ROXs 12-systeem, een jonge (~6 Myr) M0-ster met een breed gescheiden L0-bruine dwerg-begeleider (ROXs 12B), wat een unieke kans biedt om de atmosferische eigenschappen van een gastheer en zijn begeleider direct te vergelijken.

Methodologie
De auteurs verkregen hoge-resolutie K-band spectra (1,92–2,48 $\mu$m) van het ROXs 12-systeem met behulp van het CRIRES+-instrument op de Very Large Telescope (VLT). Observaties werden uitgevoerd in maart 2023 met een spleetbreedte van 0,4", waarbij een ABBA-noddingvolgorde werd gebruikt om de begeleider van de gastheerster te scheiden. De dataverwerking werd uitgevoerd met de excalibuhr-pipeline, die vlakveldcorrectie, hemelsubstitutie en optimale extractie omvat. Een kritieke stap bestond uit het modelleren van de puntbronfunctie (PSF) van de gastheerster met een Lorentz-profiel om het sterrenlicht te subtraheren en het zwakke signaal van de begeleider te isoleren.

Atmosferische terugwinninganalyses werden uitgevoerd met de petitRADTRANS stralingstransportcode gekoppeld aan het geneste-samplingalgoritme PyMultiNest. Het terugwinningskader modelleerde de atmosferische eigenschappen als vrije parameters, waaronder:

• Chemische abundanties: Volumemengverhoudingen afgeleid van thermochemische evenwichtstabellen (berekend met FastChem), specifiek het terugwinnen van C/O, metaalgehalte ([Fe/H]) en isotoopverhoudingen ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ en $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$).
• Thermische structuur: Een geparametriseerd druk-temperatuur (P-T) profiel gedefinieerd door temperatuurgradiënten op specifieke drukniveaus.
• Fysische effecten: Zwaartekracht aan het oppervlak ($\log g$) beperkt door Gaussische priors gebaseerd op evolutiebanen, en sluiering (continuümoverschot van circumstellaire schijven) gemodelleerd als een blackbody-component.
• Verbreeding: Projecteerde rotatiesnelheid ($v \sin i$) en limb-darkening-coëfficiënten.

De waarschijnlijkheidsfunctie omvatte een Gaussian Process (GP) om gecorreleerde ruis in rekening te brengen, en de robuustheid van de terugwinning werd gevalideerd via een injectie-terugwinnings-test met een synthetisch spectrum met bekende parameters.

Belangrijkste Resultaten

1. Moleculaire Detecties: De studie bevestigt de aanwezigheid van $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ en HF in zowel de gastheerster (ROXs 12A) als de begeleider (ROXs 12B). Een voorlopige detectie van $\text{H}_2^{18}\text{O}$ wordt gerapporteerd voor ROXs 12B.
2. Isotoopverhoudingen:
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$: De teruggewonnen verhoudingen zijn $77^{+10}_{-7}$ voor ROXs 12A en $55^{+10}_{-7}$ voor ROXs 12B. Hoewel beide consistent zijn met de waarde van het lokale interstellaire medium (ISM) ($68 \pm 15$), vertoont de begeleider een meetbaar lagere verhouding dan de gastheer, hoewel het verschil niet sterk significant is (binnen $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$: Voor ROXs 12B wordt een ondergrens van $\gtrsim 300$ afgeleid, wat suggereert dat er een potentiële lichte verrijking van $\text{H}_2^{18}\text{O}$ is ten opzichte van zonne- en ISM-waarden, hoewel grote onzekerheden een definitieve detectie voorkomen.
3. Elementaire Samenstelling:
   • C/O-verhouding: ROXs 12B levert een C/O-verhouding op van $0,54 \pm 0,01$, consistent met zonne-waarden en eerdere studies. Voor ROXs 12A wordt een hogere verhouding van $0,87 \pm 0,01$ teruggewonnen; de auteurs waarschuwen echter dat deze waarde onbetrouwbaar is vanwege de afwezigheid van atomaire zuurstoflijnen in de K-band, wat de mogelijkheid beperkt om de totale zuurstofbegroting te beperken bij de fotosferische temperaturen van de gastheer.
   • Metaalgehalte: ROXs 12A blijkt een bijna zonne-metaalgehalte te hebben ($-0,06^{+0,02}_{-0,03}$), terwijl ROXs 12B een subzonne metaalgehalte vertoont ($-0,53 \pm 0,03$). De auteurs merken op dat deze subzonne waarde voor de begeleider kan worden beïnvloed door degeneraties met sluiering en temperatuurstructuur, hoewel injectietests suggereren dat de isotoopverhoudingen robuust zijn tegenover deze effecten.
4. Sluiering en Thermische Structuur:
   • Sluiering: Een gematigde sluieringscoëfficiënt van $r_k = 0,17^{+0,02}_{-0,03}$ wordt gedetecteerd voor de gastheerster, consistent met een hete binnenste schijf. Er wordt geen significante sluiering gedetecteerd voor de begeleider ($r_k < 0,03$), consistent met het niet-detecteren van een massieve accreterende schijf rond ROXs 12B.
   • Thermisch Profiel: Het teruggewonnen P-T-profiel voor ROXs 12B is meer isotherm dan voorspeld door standaardmodellen (bijv. Sonora Bobcat), met minder steile temperatuurgradiënten.

Betekenis en Conclusies
Het artikel concludeert dat het ROXs 12-systeem een cruciale casestudie biedt voor het beperken van vormingsmechanismen van super-Jupiters met een wijde baan. De bijna zonne C/O-verhouding en de spin-baan misalignement (eerder gerapporteerd) pleiten voor vorming via gravitationele instorting. De iets lagere $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$-verhouding in de begeleider ten opzichte van de gastheer kan echter worden geïnterpreteerd als een signatuur van kernaccretie die lokale schijf-vaste stoffen omvat. De auteurs benadrukken dat dit isotopische contrast, hoewel slechts marginaal significant, de behoefte aan een bredere steekproef onderstreept om de frequentie van dergelijke variaties te beoordelen.

De studie bevestigt dat $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$-verhoudingen in jonge systemen over het algemeen consistent zijn met het huidige ISM, en dienen als een potentiële leeftijdsindicator. Het werk demonstreert het vermogen van hoge-resolutiespectroscopie in combinatie met atmosferische terugwinning om complexe atmosferische eigenschappen, inclusief isotoopverhoudingen, in jonge, breed gescheiden systemen te ontwarren. De auteurs handhaven dat hoewel de huidige data inzichten biedt, de vormingsgeschiedenis van ROXs 12B ambigu blijft, wat verdere observationele en modelleringsinspanningen vereist om isotoopvariaties definitief te koppelen aan specifieke vormingspaden.