Variations C/O azimutales d'une planète - Fusible PV Cie., Ltd de Hangzhou

Astronomie de la nature (2023)Citer cet article

513 accès

1 Citations

3 Altmétrique

Détails des métriques

Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 04 mai 2023

Cet article a été mis à jour

Le rapport élémentaire carbone-oxygène (C/O) dans l'atmosphère d'une planète géante est un diagnostic prometteur de l'histoire de la formation de cette planète dans un disque protoplanétaire. Parallèlement aux efforts de la communauté des exoplanètes pour mesurer le rapport C/O dans les atmosphères planétaires, les études observationnelles et théoriques des disques se concentrent de plus en plus sur la compréhension de la façon dont le rapport C/O en phase gazeuse varie à la fois avec l'emplacement radial et entre les disques. Ceci est principalement lié aux lignes de glace des principaux transporteurs volatils tels que le CO et le H2O. En utilisant les observations ALMA de CS et SO, nous avons trouvé des preuves d'un type tout à fait inattendu de variation C/O dans le disque protoplanétaire autour de HD 100546 : une variation azimutale d'un rapport typique dominé par l'oxygène (C/O ≈ 0,5) à un rapport à dominante carbone (C/O ≳ 1,0). Nous montrons que la distribution spatiale et la cinématique de ligne particulière des molécules CS et SO peuvent être bien expliquées par des variations azimutales du rapport C/O. Nous proposons un mécanisme d'ombrage qui pourrait conduire à une telle dichotomie chimique. Nos résultats impliquent que le traçage de l'histoire de la formation des exoplanètes géantes à l'aide de leurs rapports C/O atmosphériques devra prendre en compte les variations C/O azimutales dépendant du temps dans la zone d'accrétion d'une planète.

Ceci est un aperçu du contenu de l'abonnement, accès via votre établissement

Accédez à Nature et à 54 autres revues Nature Portfolio

Obtenez Nature+, notre abonnement d'accès en ligne au meilleur rapport qualité-prix

29,99 $ / 30 jours

annuler à tout moment

Abonnez-vous à cette revue

Recevez 12 numéros numériques et un accès en ligne aux articles

119,00 $ par année

seulement 9,92 $ par numéro

Louer ou acheter cet article

Obtenez uniquement cet article aussi longtemps que vous en avez besoin

39,95 $

Les prix peuvent être soumis à des taxes locales qui sont calculées lors du paiement

Les données présentées ici sont issues du programme ALMA Cycle 4 2016.1.01339.S (chercheur principal M. Kama). Les données brutes sont accessibles au public à partir des archives ALMA. Les données réduites et les produits d'imagerie finaux sont disponibles sur demande raisonnable de l'auteur correspondant.

Les données ALMA ont été réduites à l'aide de la version 5.6.1-8 de CASA, qui est disponible sur https://casa.nrao.edu/. Les sorties des modèles de disques physico-chimiques DALI sont disponibles sur https://doi.org/10.5281/zenodo.7734194.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41550-023-01984-0

Madhusudhan, rapport N. C/O comme dimension pour caractériser les atmosphères exoplanétaires. Astrophyse. J. 758, 36 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Cridland, AJ, Pudritz, RE & Alessi, M. Composition des premières atmosphères planétaires—I. Connecter l'astrochimie des disques à la formation des atmosphères planétaires. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 461, 3274–3295 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Mordasini, C., van Boekel, R., Molliè re, P., Henning, T. & Benneke, B. L'empreinte de l'histoire de la formation d'exoplanètes sur les spectres actuels observables de Jupiters chauds. Astrophyse. J. 832, 41 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Oberg, KI, Murray-Clay, R. & Bergin, EA Les effets des lignes de neige sur C/O dans les atmosphères planétaires. Astrophyse. J. Lett. 743, L16 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Madhusudhan, N., Knutson, H., Fortney, JJ & Barman, T. dans Protostars and Planets VI (eds Beuther, H. et al.) 739–762 (University of Arizona Press, 2014).

Bergin, EA et al. Anneaux d'émission d'hydrocarbures dans les disques protoplanétaires induits par l'évolution de la poussière. Astrophyse. J. 831, 101 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Booth, RA, Clarke, CJ, Madhusudhan, N. & Ilee, JD Enrichissement chimique des planètes et des disques géants en raison de la dérive des galets. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 469, 3994–4011 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Krijt, S., Schwarz, KR, Bergin, EA & Ciesla, FJ Transport de CO dans les disques protoplanétaires : conséquences de la formation de galets, de la sédimentation et de la dérive radiale. Astrophyse. J. 864, 78 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Booth, RA & Ilee, JD Matériau formant des planètes dans un disque protoplanétaire : l'interaction entre l'évolution chimique et la dérive des galets. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 487, 3998–4011 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Cridland, AJ, Eistrup, C. & van Dishoeck, EF Connexion de la formation des planètes et de l'astrochimie. Épuisement du carbone réfractaire conduisant à un C/O super-stellaire dans des atmosphères planétaires géantes. Astre. Astrophyse. 627, A127 (2019).

Article Google Scholar

van 't Hoff, MLR, Bergin, EA, Jørgensen, JK & Blake, GA Sublimation des grains de carbone : une nouvelle composante descendante de la chimie protostellaire. Astrophyse. J.897, L38 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Bosman, AD et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). VII. O/H et C/H substellaires et C/O superstellaires dans le gaz alimentant les planètes. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 7 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Turrini, D. et al. Retracer l'histoire de la formation des planètes géantes dans des disques protoplanétaires avec du carbone, de l'oxygène, de l'azote et du soufre. Astrophyse. J. 909, 40 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Van Clepper, E., Bergner, J., Bosman, A., Bergin, E. & Ciesla, F. Rétroaction chimique de la croissance des galets : impacts sur l'épuisement du CO et les rapports C/O. Astrophyse. J. 927, 206 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Hobbs, R., Shorttle, O. & Madhusudhan, N. Traceurs moléculaires de la formation des planètes dans les atmosphères des Jupiters chauds. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 516, 1032-1046 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Favre, C., Cleeves, LI, Bergin, EA, Qi, C. & Blake, GA Une abondance significativement faible de CO vers le disque protoplanétaire TW Hya : une voie vers la chimie du carbone actif ? Astrophyse. J. Lett. 776, L38 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Qi, C. et al. Imagerie de la ligne de neige CO dans un analogue de nébuleuse solaire. Sciences 341, 630–632 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

van der Marel, N. et al. Cavités de gaz résolues dans les disques de transition déduites des isotopologues du CO avec ALMA. Astre. Astrophyse. 585, A58 (2016).

Article Google Scholar

Du, F. et al. Enquête sur les lignes d'eau froide dans les disques protoplanétaires : indications d'un épuisement volatil systématique. Astrophyse. J. 842, 98 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Cleeves, LI et al. Contraindre le carbone, l'oxygène et l'azote en phase gazeuse dans le disque protoplanétaire IM lup. Astrophyse. J. 865, 155 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Zhang, K., Bergin, EA, Schwarz, K., Krijt, S. & Ciesla, F. Variations systématiques de l'abondance du gaz CO avec le rayon dans les disques protoplanétaires riches en gaz. Astrophyse. J. 883, 98 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Zhang, K., Bosman, AD & Bergin, EA Excès de C/H dans le gaz du disque protoplanétaire dû à la dérive de galets glacés à travers la ligne de neige du CO. Astrophyse. J. Lett. 891, L16 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Miotello, A. et al. Émission lumineuse de C2H dans les disques protoplanétaires du Lupus : rapports C/O volatils > 1 élevés. Astre. Astrophyse. 631, A69 (2019).

Article Google Scholar

Bergner, JB et al. Une étude de C2H, HCN et C18O dans les disques protoplanétaires. Astrophyse. J. 876, 25 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Semenov, D. et al. Chimie dans les disques. Astre. Astrophyse. 617, A28 (2018).

Article Google Scholar

Booth, AS, van der Marel, N., Leemker, M., van Dishoeck, EF & Ohashi, S. Un piège à glace asymétrique majeur dans un disque de formation planétaire. Astre. Astrophyse. 651, L6 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Dutrey, A. et al. Chimie dans les disques. V. Molécules soufrées dans les disques protoplanétaires entourant LkCa15, MWC480, DM Tauri et GO Tauri. Astre. Astrophyse. 535, A104 (2011).

Article Google Scholar

Le Gal, R. et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). XII. Déduire les rapports C/O et S/H dans les disques protoplanétaires avec des molécules de soufre. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 12 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Booth, AS et al. Émission de monoxyde de soufre traçant une planète enchâssée dans le disque protoplanétaire HD 100546. Astre. Astrophyse. 669, A53 (2023).

Article Google Scholar

Arun, R. et al. Sur le taux d'accrétion de masse et l'excès d'infrarouge dans les étoiles Herbig Ae/Be. Astre. J. 157, 159 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Walsh, C. et al. ALMA fait allusion à la présence de deux compagnons dans le disque autour de HD 100546. Astrophys. J. 791, L6 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Fedele, D., Toci, C., Maud, LT & Lodato, G. Observations du continuum ALMA 870 μm de HD 100546. Astron. Astrophyse. 651, A90 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Quanz, SP et al. Confirmation et caractérisation de la protoplanète HD 100546 b - preuve directe de la formation d'une planète géante gazeuse à 50 ua. Astrophyse. J. 807, 64 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Currie, T. et al. Résolution du système protoplanétaire HD 100546 avec l'imageur de planète gemini : preuve de la formation de multiples planètes en accrétion. Astrophyse. J. 814, L27 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Pinilla, P., Birnstiel, T. & Walsh, C. Formation séquentielle de planètes dans le disque protoplanétaire HD 100546 ? Astre. Astrophyse. 580, A105 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Walsh, C., Daley, C., Facchini, S. & Juhász, A. Émission de CO traçant une distorsion ou un flux radial à moins de 100 ua dans le disque protoplanétaire HD 100546. Astre. Astrophyse. 607, A114 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Bruderer, S., van Dishoeck, EF, Doty, SD & Herczeg, GJ L'atmosphère de gaz chaud du disque HD 100546 vue par Herschel. Preuve d'une atmosphère riche en gaz et pauvre en carbone ? Astre. Astrophyse. 541, A91 (2012).

Article Google Scholar

Bruderer, S. Survie du gaz moléculaire dans les cavités des disques de transition. I. CO. Astron. Astrophyse. 559, A46 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Kama, M. et al. Verrouillage et libération de carbone volatil dans les disques protoplanétaires. Une étude de TW Hya et HD 100546. Astron. Astrophyse. 592, A83 (2016).

Article Google Scholar

Pineda, JE et al. Observations ALMA haute résolution de HD 100546 : anneau circumstellaire asymétrique et limites supérieures du disque circumplanétaire. Astrophyse. J. 871, 48 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Wichittanakom, C. et al. Les taux d'accrétion et les mécanismes des étoiles Herbig Ae/Be. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 493, 234–249 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Pirovano, LM et al. Distribution de H2O dans le disque de HD 100546 et HD 163296 : le rôle de la dynamique des poussières et de l'interaction planète-disque. Astre. Astrophyse. 665, A45 (2022).

Article Google Scholar

van Dishoeck, EF et al. L'eau dans les régions de formation d'étoiles : la physique et la chimie des nuages aux disques sondées par la spectroscopie Herschel. Astre. Astrophyse. 648, A24 (2021).

Article Google Scholar

Francis, L. & van der Marel, N. Disques intérieurs appauvris en poussière dans un large échantillon de disques de transition grâce à des observations ALMA de longue durée. Astrophyse. J. 892, 111 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Lovelace, RVE, Li, H., Colgate, SA et Nelson, AF Instabilité des ondes de Rossby des disques d'accrétion de Kepler. Astrophyse. J. 513, 805–810 (1999).

Annonces d'article Google Scholar

Law, CJ et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). III. Caractéristiques des sous-structures chimiques radiales. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 3 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Zhang, K. et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). V. Distributions de gaz CO. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 5 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Guzman, VV et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). VI. Répartition des petits composés organiques HCN, C2H et H2CO. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 6 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Alarcón, F. et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). VIII. Écart de CO dans AS 209 - épuisement des gaz ou traitement chimique ? Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 8 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Ilee, JD et al. Molécules avec ALMA à l'échelle de la formation de planètes (MAPS). IX. Distribution et propriétés des grandes molécules organiques HC3N, CH3CN et c-C3H2. Astrophyse. J. Suppl. Ser. 257, 9 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

van der Marel, N., Booth, AS, Leemker, M., van Dishoeck, EF & Ohashi, S. Un piège à glace asymétrique majeur dans un disque de formation planétaire. I. Formaldéhyde et méthanol. Astre. Astrophyse. 651, L5 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Panique, O. et al. Observations de gaz moléculaire chaud et cinématique dans le disque autour de HD 100546. Astron. Astrophyse. 519, A110 (2010).

Article Google Scholar

Miley, JM et al. Gaz de plan médian asymétrique dans les images ALMA de HD 100546. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 485, 739–752 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Fedele, D., Bruderer, S., van den Ancker, ME & Pascucci, I. Sur l'asymétrie des lignes ro-vibrationnelles OH dans HD 100546. Astrophys. J. 800, 23 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Nealon, R., Pinte, C., Alexander, R., Mentiplay, D. & Dipierro, G. Ombres lumineuses dispersées dans des disques protoplanétaires déformés. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 484, 4951–4962 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Young, AK et al. Signatures chimiques d'un disque protoplanétaire déformé. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 505, 4821–4837 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Garufi, A. et al. La vue SPHERE du disque de formation planétaire autour de HD 100546. Astron. Astrophyse. 588, A8 (2016).

Article Google Scholar

Follette, KB et al. Structure en spirale complexe dans le disque de transition HD 100546 révélée par GPI et MagAO. Astre. J. 153, 264 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Lazareff, B. et al. Structure des disques Herbig AeBe à l'échelle de la milliarcseconde. Astre. Astrophyse. 599, A85 (2017).

Article Google Scholar

Bohn, AJ et al. Sondage des défauts d'alignement des disques intérieurs et extérieurs dans les disques de transition. Contraintes issues des observations VLTI/GRAVITY et ALMA. Astre. Astrophyse. 658, A183 (2022).

Article Google Scholar

Brittain, SD, Najita, JR & Carr, JS Spectroscopie proche infrarouge à haute résolution de HD 100546. IV. Le compagnon en orbite disparaît dans les délais. Astrophyse. J. 883, 37 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Sissa, E. et al. Étude à contraste élevé des planètes candidates et du disque protoplanétaire autour de HD 100546. Astron. Astrophyse. 619, A160 (2018).

Article Google Scholar

Pérez, S. et al. Longues observations de base du disque protoplanétaire HD 100546 avec ALMA. Astrophyse. J.889, L24 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Zhu, Z., Stone, JM, Rafikov, RR & Bai, X. La concentration de particules au niveau des arêtes et des tourbillons induits par la planète I. Disques hydrauliques tridimensionnels non visqueux. Astrophyse. J. 785, 122 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Norfolk, B. et al. L'origine du flip Doppler dans HD 100546 : un bras spiralé à grande échelle généré par un compagnon binaire interne. Astrophyse. J. Lett. 936, L4 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Wright, CM et al. Structure résolvante du disque autour de HD100546 à 7 mm avec ATCA. Lun. Pas. R.Astron. Soc. 453, 414–438 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Mendigutía, I. et al. Le système protoplanétaire HD 100546 en lumière polarisée Hα de SPHERE/ZIMPOL. Une structure en forme de barre à travers l'espace disque ? Astre. Astrophyse. 608, A104 (2017).

Article Google Scholar

Debes, JH et al. Chasing shadows : rotation de l'asymétrie azimutale dans le disque TW Hya. Astrophyse. J. 835, 205 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Loomis, RA et al. Détection des raies spectrales faibles dans les données interférométriques grâce au filtrage adapté. Astre. J. 155, 182 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Carney, MT et al. Augmentation de la production de H2CO dans le disque externe autour de HD 163296. Astron. Astrophyse. 605, A21 (2017).

Article Google Scholar

Booth, AS et al. Le monoxyde de soufre expose un vent de disque moléculaire potentiel du disque hébergeant la planète autour de HD 100546. Astron. Astrophyse. 611, A16 (2018).

Article Google Scholar

Gaia Collaboration Gaia Data Release 2. Résumé du contenu et des propriétés de l'enquête. Astre. Astrophyse. 616, A1 (2018).

Article Google Scholar

Pickles, AJ Une bibliothèque de flux spectraux stellaires : 1150–25000 Å. Publ. Astre. Soc. Aust. 110, 863–878 (1998).

Annonces d'article Google Scholar

Woodall, J., Agúndez, M., Markwick-Kemper, AJ & Millar, TJ La base de données UMIST pour l'astrochimie 2006. Astron. Astrophyse. 466, 1197-1204 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Cleeves, LI, Bergin, EA & Harries, TJ Détection indirecte de la formation de protoplanètes via des asymétries chimiques dans les disques. Astrophyse. J. 807, 2 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Télécharger les références

Nous remercions D. Fedele pour le partage des données du continuum ALMA 870 μm. LK reconnaît le financement via une bourse d'études du Conseil des installations scientifiques et technologiques (STFC). EFvD est soutenu par la convention de subvention A-ERC no. 101019751 MOLDISQUE. MND reconnaît la subvention Ambizione du Fonds national suisse (FNS) no. 180079, la bourse du Centre pour l'espace et l'habitabilité (CSH) et la bourse de la Fondation Gruber de l'AIU. CW reconnaît le soutien financier de l'Université de Leeds, du Science and Technology Facilities Council et de UK Research and Innovation (numéros de subvention ST/T000287/1 et MR/T040726/1).

Département de physique et d'astronomie, University College London, Londres, Royaume-Uni

Luke Keyte, Mihkel Kama et Jonathan Rawlings

Observatoire de Tartu, Tõravere, Estonie

Michel Kama

Observatoire de Leiden, Université de Leiden, Leiden, Pays-Bas

Alice S. Booth et Ewine F. van Dishoeck

Département d'astronomie, Université du Michigan, Ann Arbor, MI, États-Unis

Edwin A. Bergin

Département d'astronomie, Université de Virginie, Charlottesville, VA, États-Unis

L.Ilsedore Cleeves

Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE), Garching, Allemagne

Ewine F. van Dishoeck

Centre pour l'espace et l'habitabilité, Université de Berne, Berne, Suisse

Maria N. Drozdovskaya

Observatoire astronomique national du Japon, Mitaka, Japon

Kenji Furuya

Département des sciences de la Terre et Institut d'astronomie, Université de Cambridge, Cambridge, Royaume-Uni

Olivier Shorttle

École de physique et d'astronomie, Université de Leeds, Leeds, Royaume-Uni

Catherine Walch

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

LK a réduit les données ACA CS, exécuté les modèles chimiques, effectué une analyse des données et des modèles et rédigé le manuscrit. MK a contribué à l'analyse des données et des modèles, aux concepts de recherche originaux et à la rédaction du manuscrit, et a dirigé la proposition pour les données de l'ACA. ASB a fourni les données ALMA SO et a contribué à la rédaction du manuscrit. EAB, LIC, EFvD, MND, KF, JR, OS et CW ont contribué à la rédaction du manuscrit.

Correspondance avec Luke Keyte.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Astronomy remercie Zhaohuan Zhu, Rebecca Nealon et Alison Young pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Chaque panneau montre une carte d'abondance recouverte de contours représentant 25 % et 75 % d'émission linéaire (blanc). Rangée du haut : émission de CS 7-6 de la région C/O=0,5 (à gauche) et de la région C/O>1 (à droite). Rangée du bas : émission de SO 77 − 66 + 78 − 67 de la région C/O=0,5 (à gauche) et de la région C/O>1 (à droite).

Rangée du haut : spectres SO 77 − 66 + 78 − 67 (à gauche) et CS 7-6 (à droite) pour les variations de taille de coin (θ), centrés sur la position ϕ = 0. Panneau du bas : SO 77 − 66 + 78 − 67 (spectres de gauche et CS 7-6 (de droite) pour les variations de position du coin (ϕ), pour une taille angulaire fixe θ = 60∘.

En haut à gauche : Densité du nombre de gaz. En bas à gauche : Densité du nombre de poussières. En haut à droite : température du gaz. En bas à droite : température de la poussière.

Fig. supplémentaires. 1–4, tableaux 1–4 et discussions 1 et 2.

Réimpressions et autorisations

Keyte, L., Kama, M., Booth, AS et al. Variations C/O azimutales dans un disque planétaire. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-01951-9

Télécharger la citation

Reçu : 31 octobre 2022

Accepté : 21 mars 2023

Publié: 20 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41550-023-01951-9

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt