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天体物理学 > 地球与行星天体物理学

arXiv:2505.20427 (astro-ph)
[提交于 2025年5月26日 ]

标题: 燃烧成灰烬:内太阳系星盘中耐火有机物的热分解如何影响气相C/O比值

标题: Burned to ashes: How the thermal decomposition of refractory organics in the inner protoplanetary disc impacts the gas-phase C/O ratio

Authors:Adrien Houge, Anders Johansen, Edwin Bergin, Fred J. Ciesla, Bertram Bitsch, Michiel Lambrechts, Thomas Henning, Giulia Perotti
摘要: 原行星盘中最大的碳储量储存在难熔有机物中,这些有机物在有机物线附近热分解为气相,位于水冰线内部。 由于该区域靠近宿主恒星,通常认为释放的气态物质会迅速吸积,并在盘成分演化中起很小的作用。 然而,实验室实验表明,这种热分解过程是不可逆的,将大分子难熔有机物分解为更简单、含挥发性碳的化合物。 因此,与其它挥发性物质的冰线不同,有机物线仍然具有渗透性,允许气态碳向外扩散而不会返回固相。 本文中,我们通过将这一过程纳入一维气体和固体演化模型,并假设难熔有机物主要分解为 C$_2$H$_2$,研究了该过程如何影响盘的成分,特别是气相 C/H 和 C/O 比率。 我们的结果显示,这个过程使得富含碳的气体在有机物线之外(在太阳质量恒星周围达到$7 \mathrm{~au}$)存活时间更长,其丰度提高了十倍。 这对行星形成有多个意义,尤其是改变了固体和气体成分之间的关系,以及巨型行星可获得的重元素比例。 在我们的模型框架下,难熔有机物显著影响气相 C/O 比率的演化,这可能有助于解释通过斯皮策和詹姆斯·韦伯空间望远镜所作的测量结果。
摘要: The largest reservoir of carbon in protoplanetary discs is stored in refractory organics, which thermally decompose into the gas-phase at the organics line, well interior to the water iceline. Because this region is so close to the host star, it is often assumed that the released gaseous material is rapidly accreted and plays little role in the evolution of the disc composition. However, laboratory experiments show that the thermal decomposition process is irreversible, breaking macromolecular refractory organics into simpler, volatile carbon-bearing compounds. As a result, unlike the iceline of other volatiles, which traps vapor inwards due to recondensation, the organics line remains permeable, allowing gaseous carbon to diffuse outward without returning to the solid phase. In this paper, we investigate how this process affects the disc composition, particularly the gas-phase C/H and C/O ratios, by incorporating it into a 1D evolution model for gas and solids, and assuming refractory organics dominantly decompose into C$_2$H$_2$. Our results show that this process allows this carbon-rich gas to survive well beyond the organics line (out to $7 \mathrm{~au}$ around a solar-mass star) and for much longer timescales, such that its abundance is increased by an order of magnitude. This has several implications in planet formation, notably by altering how the composition of solids and gas relate, and the fraction of heavy elements available to giant planets. In the framework of our model, refractory organics significantly influence the evolution of the gas-phase C/O ratio, which may help interpreting measurements made with Spitzer and JWST.
评论: 已被接受发表在《Astronomy & Astrophysics》上。18页,14幅图,1张表格。
主题: 地球与行星天体物理学 (astro-ph.EP)
引用方式: arXiv:2505.20427 [astro-ph.EP]
  (或者 arXiv:2505.20427v1 [astro-ph.EP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.20427
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Adrien Houge [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 5 月 26 日 18:24:52 UTC (848 KB)
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