Observational constraints on CO sequestration and disk mass in the planet-hosting PDS 70 disk

Auteurs : M. Leemker, S. Facchini, F. Zagaria, K. Doi, J. Bae, M. Benisty, H. B. Liu, C. Longarini, V. Pezzotta, L. Rampinelli, L. M. Stapper, R. Teague

arXiv: 2611.14632v1 (astro-ph.EP)
Soumis à arXiv le 10 Nov. 2026
Licence : CC BY 4.0
Résumé scientifique

Exoplanets accrete gas, dust, and ice from their natal environment, setting the chemical composition of their atmospheres and interiors. The abundance of the major volatiles in disks can be used to possibly link exoplanet atmospheres to their formation location in the disk. In this work, we aim to quantify the peak CO abundance and disk mass of the PDS 70 disk, the first disk with a direct confirmation of two accreting planets in its dust cavity. We present the first detection of N$_2$H$^+$ and C$^{17}$O in this disk. The C$^{17}$O emission shows marginal statistical evidence for an azimuthal asymmetry trailing that previously seen in the continuum emission. We then compare the disk integrated fluxes of N$_2$H$^+$, CO isotopologues, and the continuum to an existing grid of thermochemical models. We find that the derived disk mass drops by a factor of $\sim 3.4$ from $0.039^{+0.067}_{-0.018}$ M$_{\odot}$ to $0.011^{+0.011}_{-0.006}$ M$_{\odot}$ if the C$^{17}$O line flux is included in the fitting procedure; the quoted intervals do not include systematic uncertainties. CO on the other hand is sequestered with an effective abundance of $(4.8^{+4.3}_{-2.7} - 17^{+8}_{-8}) \times 10^{-6}$ relative to H$_2$ in the probed disk layers after accounting for CO freeze-out and isotope selective CO photodissociation for the adopted chemical network and ionization prescription. The range in peak CO abundances reflects the uncertainty in the N$_2$H$^+$ emission, assuming either optically thin emission at 21 K or optically thick emission. Therefore, the PDS 70 planets are possibly accreting the final portion of their atmospheres from the outer disk molecular layer where CO is sequestered. Thus, CO sequestering may need to be considered when interpreting the chemical composition of planetary atmospheres.

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  1. Très proche Même question
    Planet formation in the PDS 70 system: Constraining the atmospheric chemistry of PDS 70b and c
    A. J. Cridland, S. Facchini, E. F. van Dishoeck et al. · 2023 · A&A 674, A211 (2023) · cité 5 fois · Pas encore résumé

    « Planet formation in the PDS 70 system » modélise la chimie du disque de PDS 70 pour relier les volatils du disque aux atmosphères de ses planètes.

    Résumé scientifique

    Understanding the chemical link between protoplanetary disks and planetary atmospheres is complicated by the fact that the popular targets in the study of disks and planets are widely separated both in space and time. The 5 Myr PDS 70 systems offers a unique opportunity to directly compare the chemistry of a giant planet's atmosphere to the chemistry of its natal disk. To that end, we derive our current best physical and chemical model for the PDS 70 disk through forward modelling of the $^{12}$CO, C$^{18}$O, and C$_2$H emission radial profiles with the thermochemical code DALI and find a volatile C/O ratio above unity in the outer disk. Using what we know of the PDS 70 disk today, we analyt…

  2. Très proche Autre approche du problème
    Measuring the gas mass of the protoplanetary disk around HD 179218 with CO isotopologues
    Nina Weichmann, Ke Zhang, Leon Trapman et al. · 2026 · Earth and Planetary Astrophysics · Résumé IA disponible

    « Measuring the gas mass » estime la masse d’un autre disque avec des isotopologues du CO, en examinant les effets du gel et du traitement chimique.

    En bref

    Les isotopologues du CO indiquent que le disque de HD 179218 contient environ 8 × 10⁻³ M☉ de gaz, sans biais de masse dû au gel du CO.

  3. Très proche Contexte plus large
    CO gaps in cold transition disks around low-mass stars
    A. A. Rota, N. van der Marel, E. F. van Dishoeck et al. · 2026 · Earth and Planetary Astrophysics · Résumé IA disponible

    « CO gaps » étudie le gaz et la poussière de disques de transition froids, dont les cavités peuvent signaler des compagnons planétaires.

    En bref

    Dans trois disques de transition froids, le CO s’étend dans les cavités de poussière, tandis qu’aucun disque interne poussiéreux n’est détecté.

  4. Très proche Contexte plus large
    New millimeter CO observations of the gas-rich debris disks 49 Cet and HD 32297
    Attila Moór, Quentin Kral, Péter Ábrahám et al. · 2019 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 30 fois · Résumé IA disponible

    « New millimeter CO observations » mesure le CO de disques de débris et interprète son abondance par le blindage contre les photons ultraviolets.

    Résumé scientifique

    Previous observations revealed the existence of CO gas at nearly protoplanetary level in several dust-rich debris disks around young A-type stars. Here we used the ALMA 7m-array to measure $^{13}$CO and C$^{18}$O emission toward two debris disks, 49 Cet and HD 32297, and detected similarly high CO content ($>$0.01M$_\oplus$). These high CO masses imply a highly efficient shielding of CO molecules against stellar and interstellar ultraviolet photons. Adapting a recent secondary gas disk model that considers both shielding by carbon atoms and self-shielding of CO, we can explain the observed CO level in both systems. Based on the derived gas densities we suggest that, in the HD 32297 disk, dus…

  5. Très proche Contexte plus large
    The hybrid disks: a search and study to better understand evolution of disks
    J. Pericaud, E. Di Folco, A. Dutrey et al. · 2016 · A&A 600, A62 (2017) · cité 33 fois · Résumé IA disponible

    « The hybrid disks » recherche du gaz dans des disques de débris pour éclairer leur évolution depuis la phase protoplanétaire.

    Résumé scientifique

    The increased sensitivity of millimeter-wave facilities now makes possible the detection of low amounts of gas in debris disks. Some of the gas-rich debris disks harbor peculiar properties, with possible pristine gas and secondary generated dust. The origin of the gas in these hybrid disks is strongly debated and the current sample is too sparse to understand this phenomenon. More detections are necessary to increase the statistics on this population. Lying at the final stages of evolution of proto-planetary disks and at the beginning of the debris disk phase, these objects could provide new insight into the processes involved in the making of planetary systems. We carried out a deep survey …

  6. Très proche Contexte plus large
    Survey of planetesimal belts with ALMA: gas detected around the Sun-like star HD 129590
    Quentin Kral, Luca Matra, Grant Kennedy et al. · 2020 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 17 fois · Pas encore résumé

    « Survey of planetesimal belts » recherche le CO et la poussière de ceintures planétésimales autour d’étoiles de la séquence principale.

    Résumé scientifique

    Gas detection around main sequence stars is becoming more common with around 20 systems showing the presence of CO. However, more detections are needed, especially around later spectral type stars to better understand the origin of this gas and refine our models. To do so, we carried out a survey of 10 stars with predicted high likelihoods of secondary CO detection using ALMA in band 6. We looked for continuum emission of mm-dust as well as gas emission (CO and CN transitions). The continuum emission was detected in 9/10 systems for which we derived the discs' dust masses and geometrical properties, providing the first mm-wave detection of the disc around HD 106906, the first mm-wave radius …

  7. Très proche Même méthode, autre problème
    Modelling the Spatial Distribution and Origin of CO Gas in Debris Disks
    Antonio Hales, Uma Gorti, John Carpenter et al. · 2019 · Solar and Stellar Astrophysics · cité 10 fois · Résumé IA disponible

    « Modelling the Spatial Distribution and Origin of CO Gas » combine observations ALMA et modèles thermochimiques pour étudier la distribution et l’origine du gaz CO.

    Résumé scientifique

    The detection of gas in debris disks raises the question of whether this gas is a remnant from the primordial protoplanetary phase, or released by the collision of secondary bodies. In this paper we analyze ALMA observations at 1-1.5" resolution of three debris disks where the $^{12}$CO(2-1) rotational line was detected: HD131835, HD138813, and HD156623. We apply the iterative Lucy-Richardson deconvolution technique to the problem of circumstellar disks to derive disk geometries and surface brightness distributions of the gas. The derived disk parameters are used as input for thermochemical models to test both primordial and cometary scenarios for the origin of the gas. We favor a secondary …

  8. Très proche Contexte plus large
    JWST-TST High Contrast: Medium-resolution spectroscopy reveals a carbon-rich circumplanetary disk around the young accreting exoplanet Delorme 1 AB b
    Mathilde Mâlin, Kimberly Ward-Duong, Sierra L. Grant et al. · 2025 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 6 fois · Résumé IA disponible

    « JWST-TST High Contrast » caractérise la composition atmosphérique d’une planète jeune en accrétion et recherche du matériau circumplanétaire.

    Résumé scientifique

    Young accreting planetary-mass objects are thought to draw material from a circumplanetary disk (CPD) composed of gas and dust. While the gas within the disk is expected to disperse within the first million years, strong accretion has nonetheless been detected in older systems, including the 30--45 Myr-old planetary-mass companion Delorme 1 AB b. We conducted spectroscopic observations with JWST/MIRI to investigate the presence of circumplanetary material around this young, accreting planet, and to characterize the planet's atmospheric properties and composition. We perform forward modeling using atmospheric models to characterize the planet's atmosphere. Beyond 10 microns, the SED becomes d…

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Mis à jour le 13 novembre 2026.

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