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

Resumo Técnico: O Levantamento SupJup do ESO X: Um contraste de isótopos de carbono no jovem sistema ROXs 12

Problema e Contexto
As vias de formação de super-Júpiteres massivos de órbita ampla e companheiros subestelares permanecem um tema de debate, com hipóteses concorrentes sugerindo formação via acreção de núcleo seguida de espalhamento, ou via colapso gravitacional e fragmentação semelhantes às estrelas. Embora razões elementares (por exemplo, C/O) tenham sido há muito propostas como traçadores de formação, pesquisas emergentes sugerem que razões isotópicas, especificamente $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$, podem oferecer insights distintos. Objetos formados via colapso gravitacional devem reter a assinatura isotópica de sua nuvem molecular progenitora, enquanto aqueles formados via acreção de núcleo podem herdar as razões isotópicas de sólidos locais do disco, que podem variar devido à fracionamento. O Levantamento SupJup do ESO visa testar essas hipóteses caracterizando as composições atmosféricas de companheiros subestelares e anãs marrons isoladas. Este trabalho foca no sistema ROXs 12, uma estrela M0 jovem (~6 Myr) com um companheiro anã marrom L0 amplamente separado (ROXs 12B), proporcionando uma oportunidade única de comparar diretamente as propriedades atmosféricas de uma hospedeira e seu companheiro.

Metodologia
Os autores obtiveram espectros de alta resolução na banda K (1,92–2,48 $\mu$m) do sistema ROXs 12 utilizando o instrumento CRIRES+ no Very Large Telescope (VLT). As observações foram realizadas em março de 2023 com uma fenda de 0,4", utilizando uma sequência de nodulação ABBA para separar o companheiro da estrela hospedeira. A redução de dados foi realizada usando o pipeline excalibuhr, que inclui correção de campo plano, subtração do céu e extração ótima. Um passo crítico envolveu modelar a Função de Espalhamento de Ponto (PSF) da estrela hospedeira com um perfil Lorentziano para subtrair a luz estelar e isolar o sinal fraco do companheiro.

Análises de recuperação atmosférica foram conduzidas usando o código de transferência radiativa petitRADTRANS acoplado ao algoritmo de amostragem aninhada PyMultiNest. O framework de recuperação modelou as propriedades atmosféricas como parâmetros livres, incluindo:

• Abundâncias químicas: Razões de mistura volumétrica derivadas de tabelas de equilíbrio termoquímico (computadas com FastChem), recuperando especificamente C/O, metalicidade ([Fe/H]) e razões isotópicas ($^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ e $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$).
• Estrutura térmica: Um perfil pressão-temperatura (P-T) parametrizado definido por gradientes de temperatura em níveis de pressão específicos.
• Efeitos físicos: Gravidade superficial ($\log g$) constrangida por priores Gaussianos baseados em trajetórias evolutivas, e velamento (excesso de contínuo de discos circumstelares) modelado como um componente de corpo negro.
• Alargamento: Velocidade de rotação projetada ($v \sin i$) e coeficientes de escurecimento de bordo.

A função de verossimilhança incorporou um Processo Gaussiano (GP) para contabilizar ruído correlacionado, e a robustez da recuperação foi validada através de um teste de injeção-recuperação usando um espectro sintético com parâmetros conhecidos.

Resultados Principais

1. Detecções Moleculares: O estudo confirma a presença de $\text{H}_2\text{O}$, $^{12}\text{CO}$, $^{13}\text{CO}$ e HF tanto na estrela hospedeira (ROXs 12A) quanto no companheiro (ROXs 12B). Uma detecção tentativa de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ é relatada para ROXs 12B.
2. Razões Isotópicas:
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$: As razões recuperadas são $77^{+10}_{-7}$ para ROXs 12A e $55^{+10}_{-7}$ para ROXs 12B. Embora ambas sejam consistentes com o valor do meio interestelar local (ISM) ($68 \pm 15$), o companheiro exibe uma razão mensuravelmente menor que a hospedeira, embora a diferença não seja fortemente significativa (dentro de $1\sigma$).
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$: Para ROXs 12B, um limite inferior de $\gtrsim 300$ é derivado, sugerindo um potencial leve enriquecimento de $\text{H}_2^{18}\text{O}$ comparado aos valores solares e do ISM, embora grandes incertezas impeçam uma detecção definitiva.
3. Composição Elementar:
   • Razão C/O: ROXs 12B produz uma razão C/O de $0,54 \pm 0,01$, consistente com valores solares e estudos anteriores. Para ROXs 12A, uma razão mais alta de $0,87 \pm 0,01$ é recuperada; no entanto, os autores alertam que este valor é pouco confiável devido à ausência de linhas de oxigênio atômico na banda K, o que limita a capacidade de restringir o orçamento total de oxigênio nas temperaturas fotosféricas da hospedeira.
   • Metalicidade: ROXs 12A apresenta metalicidade próxima à solar ($-0,06^{+0,02}_{-0,03}$), enquanto ROXs 12B mostra metalicidade subsolar ($-0,53 \pm 0,03$). Os autores notam que este valor subsolar para o companheiro pode ser influenciado por degenerações com velamento e estrutura de temperatura, embora testes de injeção sugiram que as razões isotópicas são robustas contra esses efeitos.
4. Velamento e Estrutura Térmica:
   • Velamento: Um coeficiente de velamento moderado de $r_k = 0,17^{+0,02}_{-0,03}$ é detectado para a estrela hospedeira, consistente com um disco interno quente. Nenhum velamento significativo é detectado para o companheiro ($r_k < 0,03$), consistente com a não detecção de um disco acreção massivo ao redor de ROXs 12B.
   • Perfil Térmico: O perfil P-T recuperado para ROXs 12B é mais isotérmico do que o previsto por modelos padrão (por exemplo, Sonora Bobcat), exibindo gradientes de temperatura mais rasos.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que o sistema ROXs 12 fornece um estudo de caso crucial para restringir mecanismos de formação de super-Júpiteres de órbita ampla. A razão C/O próxima à solar e o desalinhamento spin-órbita (relatado anteriormente) favorecem uma formação via colapso gravitacional. No entanto, a razão $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ ligeiramente menor no companheiro comparada à hospedeira poderia ser interpretada como uma assinatura de acreção de núcleo envolvendo sólidos locais do disco. Os autores enfatizam que este contraste isotópico, embora apenas marginalmente significativo, destaca a necessidade de uma amostra mais ampla para avaliar a frequência de tais variações.

O estudo reforça que as razões $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ em sistemas jovens são geralmente consistentes com o ISM atual, servindo como um potencial indicador de idade. O trabalho demonstra a capacidade da espectroscopia de alta resolução combinada com recuperação atmosférica para desvendar propriedades atmosféricas complexas, incluindo razões isotópicas, em sistemas jovens e amplamente separados. Os autores mantêm que, embora os dados atuais ofereçam insights, a história de formação de ROXs 12B permanece ambígua, necessitando de esforços observacionais e de modelagem adicionais para vincular definitivamente variações isotópicas a vias de formação específicas.