通过原子与分子示踪剂联合解耦原行星盘气体质量与碳耗竭

原行星盘的总气体质量以及元素 C、N、O 组成是我们理解行星形成的关键要素。测量气体质量颇为复杂，因为 H$_2$ 在盘的冷主体中无法被探测，且在所有盘模型中相对于氢的元素丰度与气体质量相互简并。我们展示了 CO、$^{13}$CO、C$^{18}$O 和光学薄 C$^{17}$O $J$=2-1 谱线的新 NOEMA 观测，并利用额外的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列高角分辨率毫米连续谱与 CO 数据，构建了 LkCa 15 的代表性模型。对气体质量和碳丰度约束最强的跃迁是 C$^{17}$O 2-1、N${_2}$H$^+$ 3-2 和 HD 1-0。使用这三种分子，我们发现 LkCa 15 盘中的气体质量为 $M_\mathrm{g}=0.01 ^{+0.01}_{-0.004} M_{\odot}$，比先前估计低六倍。碳丰度为 C/H = ($3 \pm 1.5) \times10^{-5}$，意味着元素碳中度耗竭，因子为 3-9。所有其他被分析的跃迁也在两倍建模不确定度内与这些数值一致。利用已分辨的 \ce{C2H} 图像，我们发现 C/O 比约为 $\sim$1，这与该盘中 H$_2$O 耗竭的文献值一致。LkCa 15 盘中缺乏严重碳耗竭与其年轻年龄一致，但与 older cold transition disks（较老的冷过渡盘）中观测到的更高耗竭形成对比。将光学薄 CO 同位素体谱线与 N$_2$H$^+$ 结合，有望打破气体质量与 CO 丰度之间的简并。这一具有冷但年轻盘的来源的中度耗竭水平表明，较长的碳转化时标促成了盘族中碳耗竭水平的演化趋势，而非仅由演化的温度效应和尘埃陷阱的存在所导致。