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

技术摘要：ESO 超木星巡天第十项：年轻 ROXs 12 系统中的碳同位素对比

问题与背景
大质量、宽轨道超木星和亚恒星伴星的形成途径仍是争论焦点，竞争假说认为其形成方式包括：先通过核心吸积再发生散射，或类似于恒星的引力坍缩与碎裂。虽然元素丰度比（如 C/O）长期以来被提议作为形成示踪剂，但新兴研究表明，同位素丰度比，特别是 $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$，可能提供独特的见解。通过引力坍缩形成的天体预计会保留其母分子云的同位素特征，而通过核心吸积形成的天体则可能继承局部盘固体的同位素丰度比，后者可能因分馏作用而变化。ESO 超木星巡天旨在通过表征亚恒星伴星和孤立褐矮星的大气成分来检验这些假说。本研究聚焦于 ROXs 12 系统，该系统包含一颗年轻的（约 6 Myr）M0 型恒星及其宽距分离的 L0 型褐矮星伴星（ROXs 12B），为直接比较宿主与其伴星的大气特性提供了独特机会。

方法
作者利用甚大望远镜（VLT）上的 CRIRES+ 仪器，获取了 ROXs 12 系统的高分辨率 K 波段光谱（1.92–2.48 $\mu$m）。观测于 2023 年 3 月进行，使用 0.4" 狭缝宽度，采用 ABBA 摆动序列将伴星与宿主恒星分离。数据还原使用 excalibuhr 流程完成，包括平场校正、天空背景扣除和最优提取。关键步骤涉及使用洛伦兹轮廓对宿主恒星的点扩散函数（PSF）进行建模，以扣除恒星光线并分离出微弱的伴星信号。

大气反演分析使用 petitRADTRANS 辐射传输代码结合嵌套采样算法 PyMultiNest 进行。反演框架将大气特性作为自由参数进行建模，包括：

• 化学丰度：源自热化学平衡表（由 FastChem 计算）的体积混合比，具体反演 C/O、金属丰度（[Fe/H]）以及同位素丰度比（$^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ 和 $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$）。
• 热结构：由特定压力层处的温度梯度定义的参数化压力 - 温度（P-T）轮廓。
• 物理效应：表面重力（$\log g$）基于演化轨迹的高斯先验进行约束，包层（来自原行星盘的连续谱过剩）被建模为黑体分量。
• 展宽：投影自转速度（$v \sin i$）和临边昏暗系数。

似然函数结合了高斯过程（GP）以处理相关噪声，并通过使用具有已知参数的合成光谱进行的注入 - 反演测试验证了反演的稳健性。

主要结果

1. 分子探测：研究确认宿主恒星（ROXs 12A）和伴星（ROXs 12B）中均存在 $\text{H}_2\text{O}$、$^{12}\text{CO}$、$^{13}\text{CO}$ 和 HF。在 ROXs 12B 中报告了对 $\text{H}_2^{18}\text{O}$ 的初步探测。
2. 同位素丰度比：
   • $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$：反演得到的比值分别为 ROXs 12A 的 $77^{+10}_{-7}$ 和 ROXs 12B 的 $55^{+10}_{-7}$。虽然两者均与本地星际介质（ISM）值（$68 \pm 15$）一致，但伴星的比值显示出比宿主可测量的偏低，尽管差异并不显著（在 $1\sigma$ 范围内）。
   • $\text{H}_2^{16}\text{O}/\text{H}_2^{18}\text{O}$：对于 ROXs 12B，推导出的下限为 $\gtrsim 300$，表明相对于太阳值和 ISM 值，$\text{H}_2^{18}\text{O}$ 可能存在轻微富集，但巨大的不确定性阻碍了确凿的探测。
3. 元素组成：
   • C/O 比：ROXs 12B 的 C/O 比为 $0.54 \pm 0.01$，与太阳值及先前研究一致。对于 ROXs 12A，反演出的比值较高，为 $0.87 \pm 0.01$；然而，作者警告称，由于 K 波段缺乏原子氧谱线，限制了在宿主恒星光球层温度下约束总氧预算的能力，因此该值不可靠。
   • 金属丰度：发现 ROXs 12A 具有近太阳金属丰度（$-0.06^{+0.02}_{-0.03}$），而 ROXs 12B 显示出亚太阳金属丰度（$-0.53 \pm 0.03$）。作者指出，伴星的这一亚太阳值可能受到与包层和热结构简并性的影响，尽管注入测试表明同位素丰度比对这些效应具有稳健性。
4. 包层与热结构：
   • 包层：检测到宿主恒星具有中等的包层系数 $r_k = 0.17^{+0.02}_{-0.03}$，这与热内盘一致。未检测到伴星存在显著包层（$r_k < 0.03$），这与 ROXs 12B 周围未探测到吸积盘一致。
   • 热轮廓：ROXs 12B 的反演 P-T 轮廓比标准模型（如 Sonora Bobcat）预测的更接近等温状态，表现出更平缓的温度梯度。

意义与结论
本文结论认为，ROXs 12 系统为约束宽轨道超木星的形成机制提供了关键案例研究。近太阳的 C/O 比和此前报道的自转 - 轨道倾角不一致性支持通过引力坍缩形成。然而，伴星中略低于宿主的 $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ 比值可被解释为涉及局部盘固体的核心吸积的特征。作者强调，尽管这种同位素对比仅具有边缘显著性，但它凸显了需要更广泛的样本以评估此类变化的频率。

该研究强化了年轻系统中 $^{12}\text{CO}/^{13}\text{CO}$ 比值通常与当前星际介质一致的观点，可作为潜在的年龄指标。这项工作展示了高分辨率光谱学与大气反演相结合的能力，能够解析年轻、宽距分离系统中复杂的大气特性，包括同位素丰度比。作者坚持认为，虽然当前数据提供了见解，但 ROXs 12B 的形成历史仍不明确，需要进一步的观测和建模工作，以明确将同位素变化与特定形成途径联系起来。