Analytical Models of Exoplanetary Atmospheres. V. Non-gray Thermal Structure with Coherent Scattering
我们应用栅栏处理来模拟谱线对辐照大气热结构的影响。这些线可能是由于纯粹的吸收过程、纯粹的相干散射过程或吸收和散射的某种组合。如果这些谱线是纯粹的吸收过程,那么大气的表面层会更冷,而如果这些谱线是纯粹的相干各向同性散射,那么这种表面冷却就完全不存在。这些线条也导致了更深层次的气氛升温。然而,较深层的变暖与谱线形成的性质无关。考虑到短波和长波连续谱中的相干各向同性散射,在大气范围内产生了反温室变冷和温室变暖。相干各向同性散射线和连续的影响,在串联操作,以确定所产生的辐射大气的热结构。
2018-03-01 astro-ph.EP
Clouds of Fluffy Aggregates: How They Form in Exoplanetary Atmospheres and Influence Transmission Spectra
透射光谱测量表明,在系外行星大气中,高空云无处不在。理论研究已经调查了高空云的形成过程;然而,云粒子通常被近似为致密的球体,这对于可能构成系外行星云的固体矿物粒子并不总是正确的。在这里,我们调查云粒子的孔隙度如何在系外行星大气中演变,并影响云的垂直廓线。首先,我们建立了一个孔隙度演化模型,考虑到分形聚集和压缩的云粒子集合。使用云微物理模型与孔隙度模型相结合,我们证明了粒子的内部密度可以显着降低在云的形成。结果,蓬松聚集云上升到的高度比迄今为止假设的致密球形云高得多。我们还研究了如何蓬松聚集云影响透射光谱。我们发现,云在很大程度上掩盖了分子的功能,并产生一个由聚集体的散射特性起源的光谱斜率。最后,我们将合成光谱与GJ 1214 b的观测结果进行了比较,发现如果大气金属丰度足够高($\ge100\times$太阳)和单体尺寸足够小($r_{\rm mon}<1~{\rm μm}$),则可以解释其平坦的光谱。高金属丰度的大气层可能为探索过去GJ 1214 b的气体吸积过程提供线索。
2020-01-21 astro-ph.EP
Hot exoplanetary atmospheres in 3D
热巨系外行星是非常奇特的天体,在太阳系中没有类似的天体,使我们能够研究极端条件下大气的行为。它们的热和化学昼夜二分法与极端的风动力学相关联,使它们本质上是3D物体。因此,与研究较冷大气相关的常见一维假设达到了极限,以便能够以一致的方式解释高温和超高温大气及其演变。在这篇评论中,我们强调了这些3D考虑的重要性,以及它们如何影响过境,日食和相位曲线观测。我们还分析了模型必须如何适应,以保持自洽,与观察一致,并足够准确,以避免偏见或错误。我们特别坚持模型和观测之间的协同作用,以便能够利用目前正在运行或不久的将来将要运行的新一代仪器的数据进行大气特征描述。
2023-01-30 astro-ph.EP
Tau-REx I: A next generation retrieval code for exoplanetary atmospheres
太阳系外行星大气的光谱学已经成为一种确定太阳系外行星特征的方法。在这里,我们提出了一种新的逆检索代码的系外行星大气。TauRex(Tau Retrieval for Exoplanets)是一个逐线辐射转移全贝叶斯反演框架。TauRex包括以下特点:1)优化使用Exomol项目的分子线列表; 2)通过定制的模式识别软件进行无偏的大气成分优先选择; 3)使用两种独立的算法对贝叶斯似然空间进行完全采样:嵌套采样以及更经典的马尔可夫链蒙特卡罗方法; 4)使用完整的贝叶斯证据以及用于嵌套模型的Savage-Dickey比率进行迭代贝叶斯参数和模型选择,以及5)通过最佳代码并行化和可扩展性将非常大的参数空间完全映射到集群计算的能力。在这份出版物中,我们概述了TauRex框架和演示,使用理论热木星传输谱,参数检索和模型选择。我们调查的信号噪声和光谱分辨率的可检索性的个别模型参数的影响,无论是在误差条的温度和分子混合比,以及其对模型的全球贝叶斯证据的影响。
2015-04-06 astro-ph.EP
A chemical kinetics code for modelling exoplanetary atmospheres
系外行星的化学成分可以提供对其物理过程,形成和演化历史的关键见解。大气光谱学为探测系外行星的组成提供了直接的途径。然而,无论是在运输或热发射,光谱观测探测有限的压力窗口的行星大气和直接敏感的光谱活性物质只有有限的一组。因此,至关重要的是要有化学模型,可以将检索到的大气成分与大气的整体物理和化学状态联系起来。为此,我们提出了LEVI,一个新的化学动力学代码建模系外行星大气。LEVI计算了行星大气中的气相氢、氧、碳和氮的化学组成。在这里,我们专注于热气体巨星。应用LEVI,我们调查如何在散装的C/O和N/O的变化影响可观察到的大气化学在炎热的夏季。对于典型的热中子源,我们证明了分子探测对大气C/O的强灵敏度。相反,分子检测对大气N/O比不太敏感,尽管高度超太阳能的N/O可以降低HCN和NH3检测所需的C/O。利用HD 209458 b新的P-T剖面,在没有逆温的情况下,我们评估了最近报道的在其昼侧大气中检测到的CO,H2O和HCN。我们发现,我们的模型与检测到的物种是一致的,虽然与C/O $\sim$ 1周围的组成窗口狭窄。要求C/O $\gtrsim$ 0.9(1.6倍太阳能)以满足HCN的最小报告值,而要求C/O $\lesssim$ 1(1.8倍太阳能)以符合标称H2O丰度。
2019-05-16 astro-ph.EP
Ultraviolet Spectropolarimetry as a Tool for Understanding the Diversity of Exoplanetary Atmospheres
由行星大气反射的星光的偏振状态独特地揭示了气溶胶的覆盖范围、颗粒大小和组成以及不断变化的云模式。仅从通量观测中不可能获得可比的详细程度。此外,偏振观测可以独立于轨道几何形状(即,凌日和非凌日行星)。我们表明,一个高分辨率的光谱偏振仪具有广泛的波长覆盖范围,特别是如果连接到一个大型的空间望远镜,将使同时研究的偏振系外行星的性质的连续性,并寻找和表征的偏振信号,由于从单分子散射。
2019-03-15 astro-ph.EP
Polarimetric investigation of selected cloud compositions in exoplanetary atmospheres
我们研究了系外行星大气中选定的云凝聚物对散射恒星辐射偏振的影响。我们选择了25种可能存在于太阳系外行星大气中的云凝结物。利用三维Monte Carlo辐射转移程序POLARIS,采用Mie散射理论,计算并研究了光学到近红外波段散射辐射的净偏振随行星相位角的变化。除了众所周知的偏振态特性,例如由折射率的实部确定的彩虹,折射率的基础虚部的行为导致偏振度的增加或减少以及特征波长处偏振的符号变化。与Al $_2$ O $_3$和MgFeSiO $_4$相反,由SiO、MnS、Na $_2$ S或ZnS组成的云在系外行星大气中产生随着波长增加而迅速降低的偏振度。此外,偏振的符号在大约0.5 $μ$ m到0.6 $μ$ m的波长处变化,这取决于特定的云凝结物。由此产生的净偏振主要是积极的云成分与大的虚部的折射率,如铁,FeS,和FeO。此外,对于Fe和FeS云,在长波长处的最大偏振度比FeO移动到更大的相位角。我们发现,大多数这些云凝聚体是彼此区分,由于其独特的波长依赖的复折射率。特别是,增加或减少的净偏振作为波长的函数,并在特定波长的偏振符号的变化是重要的特征,为表征云的成分在系外行星大气。
2022-05-10 astro-ph.EP
Effect of Pressure Broadening on Molecular Absorption Cross Sections in Exoplanetary Atmospheres
对系外行星的光谱观测正在导致对其大气成分的前所未有的限制。然而,从光谱得到的分子丰度与大气模式中形成关键输入数据的吸收截面是简并的。因此,重要的是量化分子截面的不确定性,以可靠地估计衍生分子丰度的不确定性。然而,通过谱线加宽将谱线列表转换成截面涉及到一系列的不确定性还没有很好理解的规定。我们调查和量化的影响,涉及线加宽在系外行星大气中的轮廓评估宽度,压力与热加宽,加宽剂,光谱分辨率和加宽参数的完整性-分子吸收截面。我们使用H $_2$ O作为案例研究,因为它具有最完整的吸收线数据。对于H $_2$丰富的系外行星大气的代表性温度和压力(T $\sim$ 500 K-3000 K,P $\lesssim$ 1 atm)的低分辨率光谱(R $\lesssim$ 100),我们发现由压力加宽的各个方面引入的截面($δ$)的中值差为$\lesssim$ 1\%。对于中等分辨率(R $\lesssim$ 5000),包括JWST可达到的分辨率,我们发现$δ$可高达40%。对于高分辨率(R $\sim$ 10 $^5$),$δ$可以是$\gtrsim$ 100\%,对于低温(T $\lesssim$ 500 K)和高压(P $\gtrsim$ 1 atm)达到$\gtrsim$ 1000\%。对于自增宽,这种效应更高。我们生成了一个均匀的数据库的吸收截面的分子相关的系外行星大气的高温线列表,特别…
2016-02-02 astro-ph.EP
Tracing bulk elemental ratios in exoplanetary atmospheres with TiO chemistry
了解系外行星大气的大量元素丰度并不是一件容易的事情,但它对于了解行星的形成历史至关重要。这项工作的目的是表明,在热木星大气的透射光谱的光学波长TiO功能的可观测性是敏感的大气的散装化学性质。为此,我们运行了一个化学模型网格,其中包括超热木星WASP-19 b和HD~ 209458 b的超热版本的TiO形成和破坏。我们考虑到非平衡化学和不同的C/O比引起的这些大气的温度和压力结构的变化。我们计算了这些模型的合成透射光谱,并定量地研究了TiO和\ce{H2O}特征的相对强度。为了与观测结果进行比较,我们使用了一个独立于模型的分子丰度度量,$ΔZ_{\rm TiO-H_2O}/H_{\rm eq}$,它以前曾用于系外行星大气的观测研究。我们发现,有了这个指标,我们可以区分不同的化学模型,并对大气的散装碳和氧丰度的限制。从化学方面考虑,我们预计TiO丰度将取决于本体氮,然而发现N/H的任何变化都不会导致所得TiO的变化。我们将我们的方法应用于一组已知的系外行星,这些系外行星在相关的光学波长下被观测到,并发现低分辨率观测与我们的WASP-121 b模型之间有很好的一致性,与WASP-79 b,WASP-76 b和WASP-19 b的一致性略好,与HD 209458 b的一致性较差。我们的方法对于间接研究碳和氧的丰度特别有帮助。
2020-07-02 astro-ph.EP
Raman Scattering by Molecular Hydrogen and Nitrogen in Exoplanetary Atmospheres
在短可见光和近紫外波长下,系外行星大气层不透明的一个重要来源是光在分子上的瑞利散射。它伴随着一个相关的,但较弱的过程-拉曼散射。我们分析了反射光中的拉曼散射特征和系外行星的几何形状,这可以提供有关大气特性的信息。拉曼散射以下列方式影响行星的几何散射光谱。首先,它导致入射辐射中强吸收线的填充,从而在入射辐射中产生尖锐的峰值。其次,它使反射光中的光谱特征的波长偏移,从而引起所谓的拉曼鬼线。拉曼散射也可以导致宽带减少的光谱,由于波长移动的恒星光谱与红色的光谱指数。观测大气中的拉曼峰可以用来测量气体柱密度,从而限制大气中云的存在。观察拉曼鬼线可用于光谱识别大气中的主要散射体,甚至是在光学波长范围内不具有显著光谱特征的分子如H $_2$或N $_2$。如果被探测到,鬼线还可以提供有关大气温度的信息。在本文中,我们调查的影响,拉曼散射在氢和氮为主的大气。我们分析了现有和未来的观测设施探测拉曼散射的签名,并使用这些签名作为探测系外行星大气的可行性。
2016-09-07 astro-ph.EP
Molecular line shape parameters for exoplanetary atmospheric applications
我们描述了ExoMol数据库关于分子谱线形状的最新更新。ExoMol提供了全面的分子谱线列表,特别强调了涉及系外行星和冷恒星大气特征的应用。这些应用的重要要求是(i)氢和氦主导气氛的加宽参数和(ii)非常宽的温度和压力范围。现有的线形数据在文献中,从系外行星社区的需求和他们的具体需求的现状进行了讨论。
2017-04-13 astro-ph.EP
Coupled Day-Night Models of Exoplanetary Atmospheres
我们提供了一个新的框架,采用1-D的辐射转移纳入自洽的热通量进行的循环电流(风)之间的两侧照射的系外行星的昼侧和夜侧的大气模型。我们的模型的优点是它的物理动机和计算效率,它允许探索范围广泛的大气参数。我们用这个正演模式探测了WASP-76~b和WASP-43~b的昼夜侧大气,并与高精度位相曲线和大气环流模式进行了比较。我们能够将这两颗行星的观测结果以及先前的理论预测与我们的模型紧密匹配。我们还模拟了平衡温度在1000-3000 K之间的一系列热蒸发器,并再现了观察到的昼夜温差随平衡温度增加而增加的趋势,直到$\sim$ 2500 K,超过该温度,H $_2$的解离变得显著,相对温差减小。
2020-10-14 astro-ph.EP
GENESIS: New Self-Consistent Models of Exoplanetary Spectra
我们正在进入高精度和高分辨率的系外行星光谱学时代。这种观测预示着需要强大的自洽光谱模型的系外行星大气调查复杂的大气过程,并作出可观察到的预测。平行平面系外行星大气的光谱模型存在,主要是从其他天体物理学应用中改编而来,具有不同程度的复杂性和准确性。人们越来越需要为系外行星定制的新一代模型,并将最先进的数值方法和不透明度结合起来。目前的工作是朝着这个方向迈出的一步。本文介绍GENESIS,一个平行于平面的、自洽的、逐行的系外行星大气模拟程序,它包括:(a)使用Feautrier方法的辐射转移的形式解,(b)基于Rybicki线性化方案的带温度校正的辐射-对流平衡,(c)最新的吸收截面,(d)在流体静力平衡假设下的内通量和外辐照。局部热力学平衡和热化学平衡。我们在这里演示的代码与无云模型的巨大的系外行星大气在一系列的平衡温度,金属丰度,C/O比和跨越非辐照和辐照行星,有和没有热反转。我们提供了理论上的紧急光谱和压力-温度分布在这个范围内,随着那些几个已知的热蒸发器的社会。该代码可以生成高分辨率的自洽光谱,并有可能被集成到一般循环和非平衡化学模型,因为它是优化的效率和收敛。GENESIS通过当前和即将进行的观测,为高分辨率的系外行星大气高保真遥感铺平了道路。
2017-10-12 astro-ph.EP
Photochemical Hazes in Exoplanetary Skies with Diamonds: Microphysical Modeling of Haze Composition Evolution via Chemical Vapor Deposition
本研究提出系外行星大气中可通过化学气相沉积形成钻石霾的假说,结合微物理模型与工业理论分析其形成条件与观测特征,为系外行星霾成分研究提供新方向且可通过未来观测验证。
2024-11-03 astro-ph.EP
Signatures of X-ray dominated chemistry in the spectra of exoplanetary atmospheres
本研究通过数值模拟识别巨行星透射光谱中X射线主导化学的光化学指纹,发现高恒星活动下CO、CH4、C2H2和HCN产生可观测的非平衡特征。
2024-02-07 astro-ph.EP
Characterization of exoplanetary atmospheres through a model-unbiased spectral survey methodology
上下文收集大量的系外行星大气测量数据对于提高我们对系外行星的理解至关重要。在这种情况下,该领域可能会受益于广泛的物种调查,特别是使用过境光谱,这是迄今为止最成功的系外行星大气表征技术。目的:我们的目标是开发一种模型无偏的技术,使用凌日光谱分析每一个合格的原子光谱线在系外行星过境数据,并寻找相对吸收,即,减少通量的线时,行星过境。方法:我们分析了斯巴鲁HDS、凯克HIRES、VLT UVES和拉西拉HARPS的存档数据,以测试我们的光谱调查方法。它首先通过相对噪声水平过滤单个线路。它还校正了光谱偏移和大地污染。我们的方法沿着时间和波长进行分析。后者采用了自助佐证法。结果如下:我们强调了在斯巴鲁HDS采集的HD 209459 b数据中可能检测到的Mn I和V II($5.9σ$为5916.4 $\angstrom$,$5.1σ$为6021.8 $\angstrom$)。先前在同一颗行星上探测到的Ca I被我们的算法归类为不确定的,但我们支持先前探测到的Sc II($3.5σ$在6604.6 $\angstrom$)。我们还强调了在VLT下UVES采集的HD 189733数据($6572.8 \angstrom$下的$4.4σ$、$6604.6 \angstrom$下的$6.8σ$和$5910.1 \angstrom$下的$3.5σ$)中可能检测到Ca I、Sc II和Ti II,以及在…
2022-01-12 astro-ph.EP
Chromatic line-profile tomography to reveal exoplanetary atmospheres: application to HD 189733b
透射光谱学可以用来限制系外行星大气的性质。在凌日过程中,被行星大气层阻挡的光线会在来自恒星的光线中留下印记。这已经被证明是许多系外行星与不同的技术,与测光和光谱。我们的目标是测试彩色线轮廓层析成像作为一种新的工具,调查系外行星的大气。行星凌日时的信号在交叉关联函数(CCF)上的印记依赖于行星与恒星的半径比。我们想验证从HARPS摄谱仪的光谱阶数子集获得的CCF上可达到的精度是否足以区分不同波长下行星的半径。方法.我们分析了HD 189733b三次过境的HARPS档案数据。我们将HARPS光谱范围划分为7个宽带,计算每个波段的非过境CCF面积与整个过境期间行星在其上留下的信号面积之间的比率。我们考虑到临边暗化的影响,使用的线性定律的理论系数。平均三个不同的过境的结果,使我们能够获得一个良好的质量HD 189733b的宽带传输光谱,精度大于彩色RM效果。结果我们证明了彩色线轮廓层析成像是揭示系外行星宽带透射光谱的一种有趣的方法:我们对HD 189733b大气层的分析与其他地面和空间观测结果一致。对不同凌日的独立分析证明了恒星活动在提取的透射光谱中发挥作用的可能性。因此,当只使用一次凌日来声称围绕活跃恒星运行的系外行星大气中的瑞利散射时,必须小心。
2016-03-29 astro-ph.EP
Developing a vision for exoplanetary transit spectroscopy: a shared window on the analysis of planetary atmospheres and of stellar magnetic structure
我们描述了如何在ELT和JWST时代的系外行星大气的准确表征将不可避免地需要考虑对流和磁场引起的恒星不均匀性。现有的证据表明,在观测到的凌日光谱的恒星和行星的签名的混合物。最后,我们讨论了如何通过多管齐下的方法,包括新的太阳参考光谱,改进的MHD建模,以及所涉及的社区之间的协同合作,从太阳到恒星和系外行星天文学家解开这两个组件。
2019-04-11 astro-ph.EP astro-ph.SR
Three-dimensional continuum radiative transfer of polarized radiation in exoplanetary atmospheres
偏振测量即将成为确定系外行星大气特性的有力工具。为解释观测结果和指导未来观测的预测性研究提供基础,需要复杂的分析工具。我们的目标是开发一个辐射转移工具,它包含所有相关的连续偏振机制,用于全面分析由大气、表面和局部行星环境(例如,行星环,系外卫星)。此外,我们的目标是避免常见的简化,如局部平面平行的行星大气,纬向和纵向区域之间的串扰,或假设的点状星或平面平行照明。作为一个新开发的数值算法的平台,我们使用三维蒙特卡罗辐射转移程序POLARIS。对程序进行了扩展和优化,使之适用于行星际大气中的辐射转移。研究了均匀无云大气和非均匀有云大气在不同相位角下的反射通量及其偏振度。为了利用三维辐射转移的优势,并证明代码的潜力,额外的环行对反射偏振通量的影响进行了研究。由小的水-冰粒子组成的环行星环的存在对反射的偏振辐射有明显的影响。特别是,反射通量强烈增加,在较大的相位角,如果行星轨道被视为边缘上,因为所考虑的粒子往往向前散射。相反,偏振度在这些相位角处减小。
2020-12-23 astro-ph.EP
Limitation of atmospheric composition by combustion-explosion in exoplanetary atmospheres
这项工作提出了理论研究,结合燃烧和爆炸理论与系外行星大气科学方面。超级地球可能拥有大量的分子氢,这取决于磁盘,行星和恒星的性质。围绕主序前M矮星运行的超级地球被认为拥有大量的O2,这些O2是通过水的光解和随后的氢逃逸而非生物产生的。如果这两种成分同时存在,那么大量的H2和O2可以通过光化学反应形成多达10个地球海洋。在光化学去除缓慢的情况下,O2确实可以非生物地积累,大气可能达到燃烧爆炸极限。然后,H2和O2非常迅速地反应,与适量的过氧化氢一起形成水。这些过程为超级地球大气中的H2 O2大气成分设置了限制。我们的初步研究的气相氧化途径与地球日照和约十分之一的H2的温和条件下表明,H2被氧化成H2O主要通过HOx和混合HOx NOx催化循环。关于其他大气物种对,我们发现,CO,O2的混合物可以达到爆炸燃烧水平的小型气体行星上的中等范围的C到O的比例在平衡化学制度的p超过约1bar。关于CH 4,O2混合物,少数模拟的岩石行星假设像地球一样的大气层绕着较冷的恒星运行,可能具有爆炸燃烧水平或接近爆炸燃烧水平的成分,尽管需要更多的工作来调查这个问题。
2018-02-08 astro-ph.EP
Polarized Scattering and Biosignatures in Exoplanetary Atmospheres
在系外行星的背景下计算了行星大气中的偏振散射。偏振辐射转移的问题解决了一般情况下的吸收和散射,而瑞利和米氏偏振散射被认为是最相关的例子。结果表明:(1)单次散射和多次散射的相对贡献依赖于恒星辐射和行星大气中的不透明度;(2)云(3)分子波段的偏振散射增加了系外行星探测的可靠性;(4)在可见光偏振光谱中可以探测到其他行星上的光合生命,灵敏度高。这些例子证明了旋光光谱法在系外行星研究和寻找宇宙生命方面的作用。
2016-07-23 astro-ph.EP physics.ao-ph
Effectively Calculating Gaseous Absorption in Radiative Transfer Models of Exoplanetary and Brown Dwarf Atmospheres
复杂的大气反演算法,如嵌套采样,通过迭代数百万的辐射转移(RT)计算来探索大的参数空间。检索参数的概率分布函数对RT正演模型中的假设高度敏感。RT模型之间的一个关键区别是整个大气中气体吸收的计算。我们比较两种方法计算气体吸收,截面和相关的$k$,通过检查他们得到的光谱的一些典型的\ce{H2} -他为主的系外行星和褐矮星大气。我们还考虑了包括\ce{H2} -He压力增宽在这些例子中的一些的影响。我们使用NEMESIS来计算前向模型。我们的$k$表通过与在线提供的ExoMol横截面和逐线计算进行比较来验证。对于典型的分辨率($Δν= 1$ cm $^{-1}$)的测试情况下,我们表明,截面法高估了大气中存在的吸收量,应谨慎使用。对于混合气体的气氛中的光谱形态的变化,产生'鬼'的功能。这两种方法产生的通量差异高达几个数量级。谱线的压力增宽的增加增加了通量的额外数量级的变化。这些效应在褐矮星和二次日食几何中更为明显。我们注意到,相关- $k$可以产生类似的结果非常高分辨率的横截面,但计算成本低得多。我们的结论是,不准确的使用截面和遗漏的压力加宽可能是错误的关键来源建模的棕矮星和系外行星的大气。
2019-03-10 astro-ph.EP
Electron densities and alkali atoms in exoplanet atmospheres
本文详细研究了太阳系外巨行星中碱金属原子的性质,着重讨论了它们在产生大气自由电子密度中的作用,以及它们对凌日深度观测的影响。我们把我们的研究集中在HD 209458 b的情况下,我们表明,光电离产生一个大的电子密度在中间的大气中,是约两个数量级大于预期的密度从热电离。然而,我们的纯光化学计算导致K的过境深度比这颗行星的观测深度大得多。即使考虑碱金属原子的分子化学和激发态化学的作用,这一结果也不会改变。相比之下,系外行星XO-2 b的模型结果与现有的观测结果吻合得很好。考虑到这些结果,我们讨论了其他可能的情况,如元素丰度的变化,温度分布的变化,以及可能存在的云,这可能解释所观察到的HD 209458 b碱性。我们发现,这些方案中的大多数不能解释的观测,除了在特定条件下的异质源(即云或气溶胶),但我们也注意到现有的观测之间的差异。
2014-10-29 astro-ph.EP
Connecting planet formation and astrochemistry: A main sequence for C/O in hot-exoplanetary atmospheres
为了了解行星形成的历史对可观测到的大气碳氧比(C/O)的作用,我们制作了一组天体化学演化的原行星盘。根据预先计算的行星增长人口中使用的参数,它们的组合使我们能够追踪被收集到行星大气中的气体的分子丰度。我们包括大气污染的传入(冰)星子以及耐火碳侵蚀的影响,注意到存在于我们自己的太阳系。我们发现,海王星质量行星的碳和氧含量主要是通过固体吸积来确定的,并导致比热行星更富氧(大约两个数量级)的大气,其C/O主要由气体吸积决定。一般来说,我们发现通过固体吸积而吸积的行星质量分数和由此产生的大气C/O之间存在一个“主序”,固体吸积分数较高的行星具有较低的C/O。其大气层的化学特征与我们的行星人口非常一致,我们的研究结果表明,热木星的形成通常始于水冰线附近。较低质量的热海王星被观察到比我们的模型(C/O $\sim 10^{-2}$)更富碳(0.33 $\lesssim$ C/O $\lesssim$ 1),并表明某种形式的化学处理可能会影响它们在形成和观察之间的几个Gyrs上观察到的C/O。我们的人口再现一般的质量金属丰度的趋势的太阳系和定性再现的C/O-金属丰度反相关性,已推断人口的特征外行星大气。
2019-10-29 astro-ph.EP
Detection limits of exoplanetary atmospheres with 2-m class telescopes
透射光谱是探测系外行星大气的重要技术。随着TESS的出现,以及未来PLATO的出现,将会发现越来越多围绕明亮恒星的凌日行星,而目前用于应用这些技术的大型望远镜的观测时间将不够。我们在这里证明,2米级望远镜配备了高分辨率的摄谱仪,可用于一定数量的潜在目标。我们获得了一个时间序列的高分辨率FEROS光谱在2.2米望远镜在拉西拉的非常热的木星托管行星WASP-18 b,并表明我们的上限是一致的预期。这是第一次使用2米级望远镜进行此类分析,并突出了它们的潜力。在这种情况下,我们接着讨论这类望远镜对TESS太空任务即将到来的大量科学感兴趣的目标的适用性,并提出了一种选择最有希望的目标的方法。这一点特别重要,因为2米级望远镜的观测时间比8米级大型设施更容易获得。
2019-05-12 astro-ph.EP
VULCAN: an Open-Source, Validated Chemical Kinetics Python Code for Exoplanetary Atmospheres
我们提出了一个用于研究热系外行星大气的开源且经过验证的化学动力学代码,我们将其命名为VULCAN。它是为从500到2500 K的气态化学构造的,使用约300个反应的简化C-H-O化学网络。它利用涡流扩散来模拟大气动力学,并排除了光化学。我们提供了一个完整的描述的速率系数和热力学数据。我们通过再现化学平衡并将其输出与Moses等人和Rimmer & Helling的不平衡化学计算进行比较来验证VULCAN。它再现了摩西等人的HD 189733b和HD 209458b模型,它使用了一个有近1600个反应的网络。我们还使用VULCAN来研究温度-压力曲线和碳氧比变化时产生的理论趋势。协助灵敏度测试,旨在确定负责生产一个特定的分子的关键反应,我们重新淬火近似,并发现它是准确的甲烷,但打破了乙炔,因为乙炔的不平衡丰度是不是直接由运输引起的淬火,而是间接控制的不平衡丰度的甲烷。因此,我们建议应谨慎使用猝灭近似,并且必须始终根据化学动力学计算进行检查。使用VULCAN计算的具有100层的一维模型大气通常需要几分钟才能完成。VULCAN是Exoclimes模拟平台(ESP; http://www.exoclime.net/)的一部分,可在www.example.com上公开获取。
2017-01-08 astro-ph.EP
Optical properties of potential condensates in exoplanetary atmospheres
目前可观测到的系外行星大气中云的普遍存在激发了对其光学特性的汇编和计算。首先,我们提出了一个新的开源Mie散射代码称为LX-MIE,这是能够考虑大尺寸参数($\sim 10^7$)使用一个单一的计算处理。我们验证LX-MIE对经典的MIEV 0代码以及以前的研究。其次,我们着手扩大调查的已发表的文献的实部和虚部的折射率的32个冷凝物物种。我们尽可能地依赖于折射率的实验测量,并仅在缺乏数据的情况下通过Kramers-Kronig关系从虚部获得实部(反之亦然)。我们使用这些折射率作为LX-MIE的输入,计算所有32种凝聚物的吸收,散射和消光效率。最后,我们使用一个三参数函数,以提供方便的消光效率曲线的形状拟合。我们表明,与这些简单的拟合在宽视场相机3(WFC 3),J,H和K波段的错误是$\sim 10\%$。这些配合允许消光截面或不透明度的冷凝物物种很容易被包括在检索分析的透射光谱。我们讨论了未来的实验工作的前景。光学常数和LX-MIE的汇编作为开源Exoclime模拟平台(http://www.example.com)的一部分公开可用。www.exoclime.org
2017-12-05 astro-ph.EP
Radiatively Controlled Thermal Stability of High-Altitude Clouds in Exoplanetary Atmospheres
Meikei Gakuen High School(明海学园高等学校);Division of Science, National Astronomical Observatory of Japan(日本国立天文台科学部);Graduate Institute for Advanced Studies, SOKENDAI(SOKENDAI高等研究院)
研究系外行星云粒子的辐射平衡温度,发现硅酸盐云在广泛恒星和行星条件下保持低温,而硫化物云易被加热至升华温度,为JWST观测提供可检验的云成分预测。
2026-06-23 astro-ph.EP
Cloud Formation and Dynamics in Cool Dwarf and Hot Exoplanetary Atmospheres
质量最低的恒星、褐矮星和太阳系外行星为理解低温大气中的动力学和云形成过程带来了挑战和机遇。对于棕矮星,L-和T-型矮星光球云的形成,变化和快速耗尽,以及与垂直混合相关的非平衡化学的光谱证据,都指向动力学在垂直丰度分布和云/颗粒形成周期中的基本作用。对于系外行星,方位角的热量变化以及平流层和系外大气层的探测表明,存在着多层的、不对称的大气层,这些大气层也可能是随时间变化的(特别是对于具有高度椭圆轨道的系统)。尘埃和云也可能通过热效应在系外行星的热能平衡中发挥重要作用。对于所有这些情况,三维大气模型正在成为了解光谱和时间特性的一个越来越重要的工具。在这篇评论中,我总结了在冷矮和热系外行星大气中的云和动力学的观测证据,与这些过程相关的突出问题,以及可以实现有效协同的领域。
2009-10-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
On the Existence of Shocks in Irradiated Exoplanetary Atmospheres
超音速气流预计将存在于受辐射的系外行星的大气中,但激波是否会发展的问题仍然存在。具体地说,它减少到是否连续流在一个封闭的环路可能成为超音速,如果某些部分的超音速流陡峭的冲击。我们首先证明,连续的,超音速流可能存在两种风味:等熵和非等熵,与冲击被包括在后一类的解决方案。超音速流动是激波形成的必要条件,但不是充分条件。激波的发展需要气流中相邻点的特性相交。我们证明,交叉的特性可以量化通过知识的马赫数。最后,我们研究热木星大气的3D模拟,并表明,冲击波的形成预计主要发生在昼侧半球,亚恒星点的上游,因为亚恒星点附近的温度提高提供了一个自然的压力屏障的返回流。了解激波在受辐射的系外行星大气中的作用与正确模拟红外相位曲线的峰值偏移等可观测量有关。
2012-10-31 astro-ph.EP physics.ao-ph
Cloud formation in Exoplanetary Atmospheres
这篇邀请年轻研究人员的评论提出了云形成的关键思想,作为系外行星大气虚拟实验室的关键部分。的基本概念,然后利用时间尺度分析解开过程层次结构。动力学的云形成模拟的方法进行了详细的描述,允许云结构的讨论作为未来太阳系外天气预报的先决条件。
2022-05-01 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
Nitrogen as a Tracer of Giant Planet Formation. I.: A Universal Deep Adiabatic Profile and Semi-analytical Predictions of Disequilibrium Ammonia Abundances in Warm Exoplanetary Atmospheres
对巨大系外行星进行光谱观测的一个主要动机是揭示大气成分中的行星形成过程。最近的几项研究表明,大气中的氮,像碳和氧一样,可以对行星形成环境提供重要的限制。由于在温暖的大气中,氮化学可能远离热化学平衡,因此我们广泛研究了在什么条件下以及在什么假设下,可观察到的NH3丰度可以诊断大气的整体氮丰度。在本系列的第一篇论文中,我们使用一维辐射-对流平衡模式研究了平衡温度、地面重力、固有温度、大气金属丰度和C/O比的大气T-P廓线。具有相同的固有温度和表面重力的模型与深层大气中的共享“通用”温度一致,在很宽的平衡温度范围(250- 1200 K)内,这在较热或较冷的模型中是看不到的。我们用经典的“辐射零解”解释了这种行为,然后建立了温暖系外行星深层大气的半解析T-P剖面。然后,该配置文件用于预测垂直淬火NH3丰度。在太阳的金属丰度,我们的结果表明,淬火NH3丰度仅符合本体氮丰度(在10%以内)在低的固有温度,对应于一个行星与亚木星质量(< 1 MJ)和老年(> 1 Gyr)。如果一颗行星有高金属丰度($\ge$ 10 $\times$太阳)的大气层,那么在几乎所有行星质量和年龄下,淬灭的NH3丰度都大大低估了氮的丰度。我们建议建模和观测策略,以提高散装氮从NH3的评估。
2022-11-30 astro-ph.EP
Observational Techniques With Transiting Exoplanetary Atmospheres
凌日系外行星提供了进入其大气层的详细途径,因为行星的信号可以有效地与其宿主恒星的信号分离。对于过境的系外行星,有三种基本的大气测量是可能的:透射光谱-在过境期间在系外行星边缘检测到大气吸收特征,发射光谱-在二次日食事件期间检测到行星的日侧平均发射,以及相位曲线-在行星围绕其轨道的全球范围内绘制行星的光谱发射。所有这些技术都被证明可以提供从超级地球到木星大小的行星的详细特征信息。在这一章中,我将介绍这些测量的总体背景、历史和方法。一些主要的科学相关的问题也进行了讨论,从广泛的问题有关行星形成和迁移,详细的大气物理学问题如何行星的大气在极端条件下的反应。我还讨论了分析方法和光曲线拟合技术,已开发,以帮助达到极端的分光光度精度所需的,以及如何获得可靠的误差估计,尽管有限的系统误差。作为一个传输光谱来自主凌日是我们的太阳系以外的一个独特的测量,我讨论了它的物理解释和相关的测量的基础简并。
2018-04-19 astro-ph.EP
Observations, Thermochemical Calculations, and Modeling of Exoplanetary Atmospheres
本论文作为一个整体的目的是提供更好地了解热木星行星通过观察,进行热化学计算,并模拟其大气。我们使用了斯皮策多波长二次日食观测和具有高信噪比的目标,因为它们的深日食使我们能够探测光谱特征的特征,并更确定地评估行星大气结构和成分。第一章是一个简短的介绍。第二章介绍了WASP-14 b的斯皮策二次日食分析和大气特征。WASP-14 b是一颗高辐射、热木星。通过在大气分析中应用贝叶斯方法,我们发现与理论预测相反,没有逆温。第三章介绍了WASP-43 b斯皮策卫星的红外观测、数据分析和大气特征。WASP-43 b是轨道最近的热彗星之一,它与一颗热木星一起绕着最冷的恒星之一运行。大气分析排除了在其昼侧大气中存在强烈的逆温现象。第4章介绍了开源热化学平衡丰度(TEA)代码及其对几颗热木星的应用。TEA在迭代拉格朗日优化方案中使用吉布斯自由能最小化方法计算气态物质的丰度。代码是用Python编写的,可通过http://github.com/dzesmin/TEA向社区提供。第5章介绍了我对开源贝叶斯大气辐射转移(BART)代码的贡献,以及它在WASP-43 b上的应用。BART根据观测到的光谱信息来表征行星大气。它建立了一个行星大气模型,进行辐射传输计算以产生行星光谱模型,并使用统计模块将模型与观测结果进行比较。
2016-04-10 astro-ph.EP
Stellar energetic particle and cosmic ray effects in exoplanetary atmospheres
本研究利用蒙特卡罗模型分析类GJ436 b氢主导大气中高能粒子的输运与电离率,发现恒星高能粒子可引发高电离率,为后续构建相关化学模型、生成空间望远镜合成光谱提供支撑。
2024-09-11 astro-ph.EP astro-ph.SR
ExoGAN: Retrieving Exoplanetary Atmospheres Using Deep Convolutional Generative Adversarial Networks
系外行星的大气反演通常涉及计算密集型贝叶斯采样方法。大的参数空间和日益复杂的大气模型造成了计算瓶颈,迫使在统计采样精度和模型复杂性之间进行权衡。这对于即将到来的JWST和ARIEL观测尤其如此。我们介绍ExoGAN,即系外行星生成对抗网络,这是一种新的深度学习算法,能够使用无监督学习识别分子特征,大气痕量气体丰度和行星参数。一旦经过培训,ExoGAN可广泛应用于大量仪器和行星类型。ExoGAN检索比传统检索速度有了显著提高,既可用作最终大气分析,也可为后续检索提供事先约束。
2018-10-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Probing Cold-to-Temperate Exoplanetary Atmospheres: The Role of Water Condensation on Surface Identification with JWST
本文通过模拟K2-18 b和LHS 1140 b的大气光化学,揭示水凝结通过耗损氧气提高C/O比,使薄富氢大气中氮碳载体向重烃和腈类转变并形成雾霾,从而解释了LHS 1140 b的平坦JWST光谱,而K2-18 b更符合厚大气迷你海王星。
2024-09-03 astro-ph.EP
Characterizing exoplanetary atmospheres through infrared polarimetry
行星可以发出偏振的热辐射,就像棕矮星一样。我们提出了计算热的系外行星的热极化信号,使用先进的辐射转移代码,完全包括所有订单的气体分子和云粒子的散射。该代码在空间上解决了行星盘,允许模拟水平非均匀行星。我们的研究结果表明,线偏振度,P,系外行星的热辐射预计是最高的行星的边缘附近,这P取决于温度及其梯度,散射特性和云粒子的分布。在球对称行星的盘面上积分,热辐射的P等于零。然而,对于那些看起来不对称的行星,例如由于平坦,大气层中的云带或斑点,白天和黑夜的差异,和/或模糊的环,P通常大于0.1%,在有利的情况下,甚至在近红外波长处达到百分之几。探测热极化信号可以获得行星的参数,否则很难获得:它立即确认云的存在,然后P可以限制大气的不均匀性和由于行星的旋转速率而导致的平坦化。对于纬向对称的行星,偏振角将产生行星自转轴垂直于视线的分量。最后,我们的模拟表明,P通常比热通量对多云行星大气层的变化更敏感,因此可以更好地揭示某些动力学过程。
2011-08-05 astro-ph.EP
What Does "Metallicity" Mean When Interpreting Spectra of Exoplanetary Atmospheres?
研究系外行星大气层的一个理想结果是为系外行星形成理论设定决定性的限制。天文学家经常用广义的术语来谈论“金属丰度”。在对整体金属丰度建模时,工作人员参考元素铁丰度(Fe/H)。相比之下,当大气层外天文学家谈到通过分析低分辨率哈勃和斯皮策分光光度法得出的“金属丰度”时,他们指的是氧(O/H),碳(C/H)和氮(N/H)的元素丰度:按重要性降序排列,由于哈勃宽视场照相机3号的光谱主要对水敏感,其次是氰化氢和氨,而斯皮策光度法对甲烷和一氧化碳敏感。通过检索水丰度,Kreidberg等人(2014),Wakeford等人(2017,2018),Arcangeli等人(2018)和Mansfield等人(2018)等工作人员已经发表了显示“金属度”与系外行星质量的数据。即使我们假设体元素和大气元素丰度相等,本研究报告背后的动机也是为了证明水丰度和O/H之间的转换并不简单。“太阳能金属丰度下的水”是一个依赖于温度和压力的陈述,因为没有一个单一的水体积混合比值对应于太阳能的O/H和C/H值。总的来说,水体积混合比和O/H之间的转换因子不是统一的,并且取决于温度、压力、O/H、C/H和C/O,即使没有引起不平衡化学(光化学和/或大气混合)。不平衡化学或缩合反应总是返回一个单位的转换因子,这一点尚未得到证实。因此,公平地说,从大气反演推断的“金属丰度”估计值取决于模型。
2018-07-16 astro-ph.EP
Highly depleted alkali metals in Jupiter's deep atmosphere
针对 Juno 微波辐射计 600 MHz 通道观测揭示的木星深层大气额外不透明度问题,该研究证明钠和钾等碱金属在高度贫化的亚太阳金属丰度下电离产生的自由电子是缺失的不透明度来源,揭示了碱金属与其他富集重元素间的丰度差异。
2023-06-21 astro-ph.EP
Aurora: A Generalised Retrieval Framework for Exoplanetary Transmission Spectra
大气检索的系外行星传输光谱提供了重要的约束条件,如化学丰度,云/霾的属性,和特征温度,在昼夜大气终止。到目前为止,大多数光谱已经观察到巨大的系外行星,由于检索通常假设富氢大气。然而,最近对迷你海王星/超级地球的观测,以及包括JWST在内的即将到来的设施的承诺,需要新一代的检索,可以解决各种各样的大气成分和相关的复杂性。在这里,我们报告了Aurora,这是一个下一代大气检索框架,它建立在最先进的架构之上,并结合了以下关键进步:a)考虑到富氢和贫氢大气的一般成分反演,b)非均匀云/霾的一般处方,c)用于高维反演的多个贝叶斯推断算法,d)折射、前向散射的模块考虑,和米氏散射,以及e)噪声建模功能。我们展示了极光对热木星HD209458 b,迷你海王星K218 b和岩石系外行星TRAPPIST 1d的当前和/或合成观测。使用当前的HD209458 b光谱,我们证明了我们的框架和云/霾处方对富氢/贫氢大气的假设的鲁棒性,改善了以前的治疗。使用K218 b的真实和合成光谱,我们展示了不可知的方法来自信地限制其大气成分,并获得精确的丰度估计。对于TRAPPIST 1d,10次JWST NIRSpec凌日可以识别无云的CO $_2$富集大气和N $_2$富集大气的主要大气成分,以及痕量气体的丰度限制,包括O $_3$的初始指示,如果以增强的水平存在($\sim$ 10- 100 x地球水平)。
2021-03-15 astro-ph.EP
Exoplanetary atmosphere target selection in the era of comparative planetology
大面积凌日调查预计会发现大量新行星,这意味着对其大气层的后续透射光谱学研究将受到望远镜资产可用性的限制。我们认为,将需要覆盖广泛孔径范围的望远镜,即使是100万级的仪器也会提供潜在的重要贡献。采用自动化目标选择的调查策略将能够进行强有力的人口研究。作为这样一个战略的一部分,我们提出了一个决策指标,最好的目标,最合适的望远镜配对,并证明其有效性,即使只有初级过境观测。因此,需要事先进行后续观测以确定行星质量这一瓶颈不一定会妨碍透射光谱学目标的选择。决策度量可以很容易地部署在一个分布式异构网络的望远镜配备进行宽带测光或光谱。我们展示了如何度量可以用来优化观测策略为一个给定的望远镜(例如,选择过滤器),或使选择最好的望远镜,以优化整体样本量。我们的决策度量还可以为选择函数提供基础,以帮助评估后续透射光谱数据集的统计完整性。最后,我们通过将其排名目标集与已成功探测其大气层的行星列表以及一些现有的优先系外行星列表进行比较来验证我们的度量。
2019-03-13 astro-ph.EP
On Signatures of Clouds in Exoplanetary Transit Spectra
系外行星大气的透射光谱已被用来推断云/雾的存在。这样的推断通常基于来自气体瑞利散射的光学偏差中的光谱斜率或红外中的低振幅光谱特征。我们调查了三个可观察到的指标,可以允许从透射光谱,即,光学斜率,该斜率的均匀性,并在红外冷凝功能的云属性的约束。我们使用模型传输光谱推导出这些指标,考虑到来自广泛范围的冷凝物物种、颗粒尺寸和尺度高度的Mie灭绝。首先,我们调查可能的退化云的属性之间的观测到的斜坡。例如,我们发现,具有非常陡峭的光学斜率的光谱表明大气中存在硫化物云(例如MnS、ZnS、Na $_2$ S)。其次,光学斜率的(非)均匀性提供了对云属性的附加约束,例如,MnS、ZnS、TiO $_2$和Fe $_2$ O $_3$具有显著不均匀的斜率。第三,红外光谱为云的性质提供了一个额外的强有力的探测器,其中SiO $_2$、Fe $_2$ O $_3$、Mg $_2$ SiO $_4$和MgSiO $_3$具有詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的强红外特征。我们研究了八个热中子星的观测光谱,并讨论了它们的意义。特别是,这里考虑的单一或复合冷凝物物种不符合HD 189733b观察到的陡峭和不均匀的光学斜率。我们的工作突出了上述三个指标的重要性,调查云的性质在系外行星大气中使用高精度的传输光谱和详细的云模型。我们使我们的米氏散射数据的凝聚公开提供给社会。
2017-08-29 astro-ph.EP
Exoplanetary atmospheres retrieval via a quantum extreme learning machine
Università degli Studi di Palermo, Dipartimento di Fisica e Chimica - Emilio Segrè(意大利帕尔马大学物理与化学系);Dipartimento di Fisica e Astronomia “Galileo Galilei”, Università degli Studi di Padova(意大利帕多瓦大学伽利略·伽利莱物理与天文学系);INAF Osservatorio Astronomico di Padova(意大利国家天体物理研究所帕多瓦天文台)
针对系外行星大气反演传统方法高维参数空间计算开销大的问题,提出基于量子极限学习机的反演框架,采用适用于近期量子设备的内禀容错策略并在IBM Fez上验证,展现量子计算在天体物理数据分析中的潜力。
2025-09-03 astro-ph.EP astro-ph.IM cs.LG
The role of planetary formation and evolution in shaping the composition of exoplanetary atmospheres
在过去的20年里,太阳系外行星的探索揭示了行星系形成和演化的丰富多样性。然而,为了充分了解这些太阳系外行星是如何形成的,我们拥有的轨道和物理数据是不够的,还需要补充有关系外行星组成的信息。地基和天基观测提供了关于少数太阳系外行星大气成分的第一批数据,但在我们能够充分利用这些数据之前,还需要更大和更详细的样本。系外行星表征天文台(EChO)的主要目标是填补这一空白,通过对数百颗太阳系外行星进行系统调查,扩大我们所拥有的有限数据。然而,要充分利用欧洲化学家办事处和其他空间和地面设施将在不久的将来提供的数据,就需要了解将观测到的化学物质和分子的源和汇。幸运的是,对太阳系过去历史的研究提供了一些迹象,表明了迁移、晚期吸积和长期撞击等过程的影响,以及它们在行星系生命中发生的时间。在这项工作中,我们将审查已经知道的影响行星大气的组成的因素,重点是气态巨行星的情况下,而不是仍然需要调查。
2014-06-16 astro-ph.EP
Retrieval of Exoplanet Emission Spectra with HyDRA
太阳系外行星的热辐射光谱对行星大气的化学成分、压力-温度(P-T)分布和能量输送提供了限制。这些属性的准确推断依赖于所采用的大气反演方法的鲁棒性。虽然现存的检索代码提供了显着的限制在几个系外行星大气的分子丰度和温度分布,其偏离热平衡和化学平衡的限制尚未得到充分探讨。我们目前的工作是朝着这个方向迈出的一步。我们报告Hyperion,系外行星大气的热发射光谱的非平衡检索框架。检索代码使用的参数大气模型的标准架构加上贝叶斯统计推断,使用嵌套抽样算法。对于一个给定的数据集,检索的成分和P-T配置文件中使用的GENESIS自洽大气模型,以约束逐层偏离可观察到的大气中的化学和辐射对流平衡。我们用高精度的发射光谱在热木星WASP-43 b上演示了Hyperion。计算得到的水混合比为log(H2O)=-3.54 ^{+0.82}-0.52},与前人的研究结果一致。我们检测到H2O和CO/CO2的组合,具有8 σ显著性。我们发现白天的P-T曲线与辐射对流平衡在1-西格玛的限制和低昼夜再分配,与以前的研究一致。导出的组成也与相应的P-T分布的热化学平衡相一致。在高精度和高分辨率发射光谱学的时代,Hyperion提供了一条恢复系外行星大气中不平衡现象的途径。
2017-10-19 astro-ph.EP
Transport and Thermochemical Kinetics of Alkali Species in Hot Jupiter Atmospheres: Implications for Magnetic Models
Max Planck Institute for Astronomy(马克斯·普朗克天文学研究所);University of Exeter(埃克塞特大学);University of Newcastle(纽卡斯尔大学);Imperial College London(伦敦帝国理工学院);University of California, Los Angeles(加利福尼亚大学洛杉矶分校)
研究热木星大气中碱金属的热化学动力学,发现离子淬灭发生在1-10 mbar,增强夜面及中纬度磁相互作用,并指出化学动力学对磁建模至关重要。
2026-09-23 astro-ph.EP
Self-luminous and irradiated exoplanetary atmospheres explored with HELIOS
我们提出了新的方法的特点和物理成分包括在一维辐射转移代码HELIOS,改善半球双流形式主义。我们进行了一个彻底的相互比较调查与几个已建立的正演模型,包括COOLTLUSTY,PHOENIX,并找到令人满意的一致性与他们的结果。然后,我们探讨的影响(一)不同组的不透明度源,(二)恒星的路径长度调整,和(三)散射校正自洽计算的大气温度和行星发射光谱。首先,我们观察到温度-压力(T-P)曲线对所包含的不透明度非常敏感,金属氧化物,金属氧化物,碱金属原子(和电离氢)对短波辐射的吸收起着重要作用(在非常热的环境中)。此外,如果这些物种足够丰富,它们可能会引起非单调的T-P曲线。第二,在没有恒星路径长度调整的情况下,当天顶角大于80°时,入射恒星通量被显著低估,这在一定程度上影响了高层大气温度和行星辐射。第三,散射校正将反射恒星光的计算精度提高了约10%。我们使用HELIOS计算网格的无云大气中的辐射对流平衡的自发光行星的有效温度范围内,表面重力,金属,和C/O比,用于行星演化研究。此外,我们计算了不同的化学和热量再分配的系外行星样本的昼侧温度和二次日食光谱。这些结果可用于预测未来观测的大气特征的可行性。
2019-03-15 astro-ph.EP
A Dichotomy of the Mass-Metallicity Relation of Exoplanetary Atmospheres Demarcated by their Birthplace
Division of Science, National Astronomical Observatory of Japan(日本国立天文台科学部);Graduate Institute for Advanced Studies, SOKENDAI(综合研究大学院大学);Astrobiology Center(天体生物学中心);Department of Earth and Planetary Science, The University of Tokyo(东京大学地球行星科学系);Department of Earth and Planetary Sciences, Institute of Science Tokyo(东京科学大学地球行星科学系);UTokyo Organization for Planetary Space Science (UTOPS), University of Tokyo(东京大学宇宙行星科学研究组织);Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen(格罗宁根大学卡普坦天文研究所)
本研究通过砾石吸积形成气态巨行星,发现其质量-金属度关系因形成位置不同而呈现两种截然不同的特征。
2026-01-04 astro-ph.EP
Analytical Models of Exoplanetary Atmospheres. III. Gaseous C-H-O-N Chemistry with 9 Molecules
我们提出了新的,分析,平衡化学公式的丰度的分子在热的系外行星大气中,包括碳,氧和氮网络。我们以氢为主的解决方案包括乙炔(C $_2$ H $_2$),氨(NH $_3$),二氧化碳(CO $_2$),一氧化碳(CO),乙烯(C $_2$ H $_4$),氰化氢(HCN)、甲烷(CH $_4$),分子氮(N $_2$)和水(H $_2$ O)。通过只考虑气相,我们证明了一氧化碳的混合比是由一个decic方程(多项式方程的次数为10)。我们验证我们的解决方案对平衡化学的数值计算,执行吉布斯自由能最小化,并证明他们是准确的$\sim 1\%$水平的温度从500到3000 K。在氢占主导地位的大气中,HCN与CH $_4$的丰度比在很宽的碳氧比范围内几乎是恒定的,这使得它成为气相中金属丰度的可靠诊断。我们验证的公式允许方便的基准化学动力学代码,并提供了一种有效的方式,在大气反演计算中执行化学平衡。
2016-07-15 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.chem-ph
Theory and simulation of spectral line broadening by exoplanetary atmospheric haze
大气霾是外行星光谱平坦化的主要候选者,因为它也是太阳系行星、卫星和彗星大气不透明度的重要来源。系外行星的透射光谱携带着关于行星大气如何对过境的恒星光变得不透明的信息,在与钠、钾和水的谱线相对应的波长范围内显示出广泛的无特征吸收。我们开发了一个详细的原子模型,描述原子或分子辐射与灰尘和大气雾霾颗粒物的相互作用。该模型采用了一个现实的结构,从小的纳米尺寸的种子颗粒到亚微米不规则形状的聚集体的雾霾颗粒,占两个成对的碰撞之间的辐射器和雾霾扰动,准静态平均场移动的水平在雾霾环境。这种形式主义可以解释在霾大气中吸收和发射光谱的大的平坦化,并且示出辐射器-霾粒子相互作用如何影响谱线的翼部和其中心附近的吸收光谱形状。该理论可以解释几乎所有的现实结构,尺寸和灰霾颗粒物的化学组成,并预测其在灰霾环境中的吸收和发射光谱的影响。我们通过计算氩雾中钠D线的发射光谱的位移和加宽来说明该方法的实用性。所提出的模型的简单性,优雅性和通用性,应该使它适合于在天体物理学和化学的用户的广泛社区。
2018-05-25 astro-ph.EP
Analytical Models of Exoplanetary Atmospheres. I. Atmospheric Dynamics via the Shallow Water System
在系外行星大气的背景下,我们提出了一个全面的线性分析强迫,阻尼,磁化浅水系统,探索维度,几何形状(笛卡尔,伪球形和球形),旋转,磁张力和流体动力学和磁摩擦源的影响。在广泛的条件下,我们发现,大气和量子谐振子的关键控制方程是相同的,即使当强迫(恒星辐射),摩擦源(分子粘度,瑞利阻力和磁阻力)和磁张力。全球大气结构在很大程度上由一个单一的关键参数控制,该参数涉及Rossby和Prandtl数。当分子粘性或磁阻力在整个纬度上不均匀地起作用时,或者存在极向磁场时,这种近乎普遍性的现象就消失了,这表明这些效应将给大气环流模拟中所见的熟悉的人字形特征带来质的变化。我们还发现,流体动力学和磁摩擦源有不同的相位签名,并从根本上不同的方式影响流,这意味着使用瑞利阻力来模仿磁阻力是不准确的。我们详尽地奠定了理论形式主义(色散关系,控制方程和时间依赖波的解决方案)的一个广泛的模型套件。在所有情况下,我们得出的大气,这是相关的解释红外相位和日食地图的系外行星大气的稳态。我们阐明了箍缩效应,限制了大气结构的赤道附近。我们的分析模型套件可用于决定性地发展物理直觉,并作为大气环流的三维磁流体动力学(MHD)模拟的参考点。
2014-06-03 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Characterizing exoplanetary atmospheres at high resolution with SPIRou: Detection of water on HD 189733 b
我们提出了第一个系外行星大气探测作为SPIRou遗产调查的一部分,300个夜晚的大型观测计划,利用SPIRou的能力,新的近红外高分辨率(R ~ 70 000)光谱偏振仪安装在加拿大-法国-夏威夷望远镜(CFHT; 3.6米)。我们观察到HD 189733的两次凌日,HD 189733是一个被广泛研究的热木星,已知在其透射光谱中显示出突出的水蒸气吸收。当结合这两次凌日时,我们成功地检测到行星的水蒸气吸收在5.9西格玛使用交叉相关t检验,或与Delta BIC >10使用对数似然计算。使用假设参数化T-P剖面大气模型的贝叶斯检索框架,我们将传输光谱探测区域的行星大气参数约束为以下值:VMR[H2O] =-4.4 ^{+0.4}_{-0.4},P_cloud >~ 0.2 bar(灰色云),这两者都与之前对这颗行星的研究一致。我们检索到的水体积混合比略低于太阳,虽然,结合它与以前检索到的超太阳CO丰度从其他研究将意味着超太阳的C/O比。我们还测量到行星信号的净蓝移为-4.62 ^{+0.46}_{-0.44} km s-1,这比以前的许多测量值都要大,不太可能仅仅由行星大气中的风引起,尽管它可能由行星后缘主导的过境信号来解释。这种大的蓝移在所有不同的检测/检索方法中进行观察,并在每一个独立的两个过境。
2021-08-25 astro-ph.EP
LBT transmission spectroscopy of HAT-P-12b: confirmation of a cloudy atmosphere with no significant alkali features
热的亚土星质量系外行星HAT-P-12 b是透射光谱学的理想目标,因为它的半径膨胀。我们用大双目望远镜(LBT)的多目标双摄谱仪(MODS)进行了一次凌日观测,获得了波长范围为0.4 - 0.9 $\sim$ m的大气透射谱。光谱相对平坦,没有显示出任何显著的钠或钾吸收特征。我们的结果是一致的修订哈勃太空望远镜(HST)的透射光谱的以前的工作,除了HST的结果表明,一个试探性的检测钾。钾的差异可能是HST数据集统计波动的结果。我们用一个广泛的云模型网格来拟合行星的透射光谱,并确认了行星大气中高海拔云的存在。对LBT和HST组合光谱进行拟合,其具有0.4 - 1.6 $\mathrmμ$ m的总波长范围。LBT/MODS光谱仪在透射光谱观测中具有独特的优势,因为它可以通过一次曝光覆盖宽的波长范围,并同时获得两组独立的光谱。
2020-08-19 astro-ph.EP