Exoplanetary Atmospheres
对系外行星大气的研究是天文学中最令人兴奋和最具活力的前沿领域之一。在过去的二十年里，正在进行的调查揭示了系外行星系统的行星质量、半径、温度、轨道参数和宿主恒星性质的惊人多样性。我们现在正进入一个时代，在这个时代，我们可以开始解决有关系外行星组成、大气和内部过程以及形成历史的多样性的基本问题，就像过去一个世纪对太阳系行星所做的那样。系外行星大气通过其可观测的光谱特征提供了解决这些问题的直接手段。在过去十年中，特别是在过去五年中，利用各种空间和（或）地面观测设施，通过光度和光谱方法探测系外行星的大气特征方面取得了巨大进展。这些观测开始对各种大气特性提供重要的限制，包括压力-温度廓线、化学成分、能量循环、云的存在和非平衡过程。最新的研究也开始将推断出的化学成分与系外行星的形成条件联系起来。在本章中，我们回顾了系外行星大气领域的最新进展。我们的评论涵盖了系外行星大气观测和理论的进展，并涵盖了广泛的系外行星类型（气体巨星，冰巨星和超级地球）和检测方法（凌日行星，直接成像和径向速度）。最后，我们讨论了系外行星大气未来研究的光明前景。
2014-02-05 astro-ph.EP
Understanding the Effects of Systematics in Exoplanetary Atmospheric Retrievals
从太阳系外行星的透射光谱反演其大气特性通常假设数据中的误差是高斯的并且是独立的。然而，由于仪器或恒星系统学和合并离散数据集，可能会出现非高斯噪声。我们研究了相关噪声的影响，并限制了检索后验的潜在偏差。我们模拟合成数据的多个噪声实例，并进行检索，以获得不同噪声模型的检索优度的统计数据。我们发现，相关噪声允许过拟合的频谱，从而产生更好的拟合优度平均，但降低了检索的整体准确性。特别是，相关噪声可以表现为在光学范围内的明显的非瑞利斜率，导致云/霾参数的不正确估计。我们还发现，更高的精度会导致相关的结果进一步远离输入值的估计误差。因此，我们强调，在分析检索后验时必须谨慎，估计参数的不确定性最好理解为下限。最后，我们表明，虽然相关噪声不能可靠地区分与HST观测，推断其存在和强度可能与JWST观测。
2021-06-23 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
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
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
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
Neural posterior estimation for exoplanetary atmospheric retrieval
本文提出用神经后验估计（NPE）对系外行星大气反演进行摊销化，在 petitRADTRANS 模型上以秒级时间获得与 MultiNest 相当且经诊断验证可靠的后验结果，实现高效、可扩展且可检验的反演。
2023-02-10 astro-ph.EP astro-ph.IM
Stellar impact on exoplanetary atmospheric evolution and habitability
Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学核科学研究所）；Department of Astrophysics, University of Vienna（维也纳大学天体物理学系）；ASTRON, Netherlands Institute for Radio Astronomy（荷兰射电天文研究所）；Centre for Planetary Habitability (PHAB), Department of Geosciences, University of Oslo（奥斯陆大学地球科学系行星宜居性中心）；Center of Excellence in Space Sciences India, Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度加尔各答科学教育研究所印度太空科学卓越中心）；Department of Physical Sciences, Indian Institute of Science Education and Research Kolkata（印度加尔各答科学教育研究所物理科学系）；Université Paris Cité, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, AIM（巴黎西岱大学、巴黎萨克雷大学、法国原子能和替代能源委员会、法国国家科学研究中心天体分子生物学实验室）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；Goddard Space Flight Center, NASA（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）
本章围绕恒星活动、系外行星等主题，探讨恒星演化与辐射对系外行星大气、宜居性的影响，为完善行星大气模型及筛选未来观测目标提供依据。
2026-08-04 astro-ph.EP astro-ph.SR
Exoplanetary Atmospheres - Chemistry, Formation Conditions, and Habitability
描述太阳系外行星的大气是太阳系外行星科学的新前沿。过去二十年的系外行星发现表明，系外行星在轨道和体积特性上非常常见且极其多样。我们现在进入了一个新的时代，我们开始研究系外行星的化学多样性，它们的大气和内部过程，以及它们的形成条件。该领域的最新发展使我们对系外行星大气化学及其形成条件的理解取得了前所未有的进步。我们在目前的工作中审查这些发展。我们详细回顾了迄今为止发现的所有系外行星的大气化学理论，从高度辐射的气体巨星，冰巨星和超级地球，到直接成像的大轨道分离的巨行星。然后，我们回顾了这些不同类型的系外行星大气中的化学物种的观测探测使用不同的方法，包括过境光谱，多普勒光谱，和直接成像。除了化学检测，我们讨论了在确定这些大气中的化学丰度的进展，以及如何使用这些丰度来约束系外行星的形成条件和迁移机制。最后，我们回顾了最近的理论工作的可居住的系外行星的大气，随后讨论了该领域的未来前景。
2016-04-20 astro-ph.EP
Influence of the Sun-like magnetic cycle on exoplanetary atmospheric escape
恒星的高能辐射（X射线和极紫外线，XUV）驱动了近距离系外行星的大气逃逸。考虑到恒星的辐射依赖于恒星的磁性和恒星的磁周期，我们研究了周期如何影响系外行星大气逃逸的演化。首先，我们假设一颗类HD209458b行星围绕太阳运行。为此，我们在HD209458b的一维流体动力学逃逸模型中实现了一个半太阳周期内观测到的太阳XUV辐射。我们发现大气逃逸率呈周期性变化（从7.6到18.5 $\times$ 10 $^{10}$ g s $^{-1}$），几乎与入射恒星辐射成正比。为了与观测结果进行比较，我们计算了两条氢线的光谱跃迁。我们发现不可检测的循环变化在赖氨酸$α$过境。考虑到H $α$谱线的温度敏感性，其等效宽度在整个周期内的变化幅度为1.9 mA，这可以在像HD 209458 b这样的系外行星中检测到。我们证明了在太阳活动周期中，XUV通量与磁通量成线性关系。其次，我们应用这个关系推导出的XUV通量的HD 189733使用现有的磁通量观测塞曼多普勒成像近十年的周期演化。然后使用XUV通量来模拟HD 189733 b中的逃逸，其显示逃逸率从2.8变化到6.5 $\times$ 10 $^{10}$ g s $^{-1}$。与HD 209458 b的情况类似，这引入了Ly $α$和H $α$转变的变化，其中H $α$变化更可能被观察到。最后，我们表明，一个强大的恒星耀斑将显着增加Ly $α…
2020-06-18 astro-ph.EP astro-ph.SR
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
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
Atmospheric Retrieval of Exoplanets
系外行星大气反演是指根据观测到的光谱推断系外行星的大气特性。大气特性包括化学成分、温度廓线、云/霾和能量循环。反过来，这些特性可以为系外行星的大气物理化学过程及其形成机制提供关键见解。在过去的十年中，由于最先进的光谱观测和先进的大气建模和统计推断方法的结合，大气反演取得了重大进展。这些发展已经对大气中的H2O丰度、温度分布和几个系外行星的其他特性产生了关键的限制。即将建成的JWST等设施将进一步推动这一领域的发展。本章是对这一令人兴奋的系外行星科学前沿的教学回顾。详细讨论了系外行星大气反演的原理，包括参数模型和统计推断方法，并回顾了该领域的主要成果。一些主要的挑战，在检索与当前的观测进行了讨论，随着新的方向和未来的景观。
2018-08-14 astro-ph.EP
An Ensemble of Bayesian Neural Networks for Exoplanetary Atmospheric Retrieval
University of Oxford（牛津大学）；University of Central Florida（中佛罗里达大学）；King’s College London（伦敦国王学院）；Luxembourg Institute of Science and Technology（卢森堡科学技术研究院）；University of Pittsburgh（匹兹堡大学）；NASA Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；University of Bern（伯尔尼大学）；Blue Marble Space Institute of Science（蓝大理石空间科学研究所）
机器学习现在被用于天体物理学的许多领域，从探测开普勒过境信号中的系外行星到删除望远镜系统。最近的工作证明了使用机器学习算法进行大气检索的潜力，通过实施随机森林在几秒钟内执行检索，这与传统的，计算昂贵的嵌套采样检索方法一致。我们扩展他们的方法，提出了一个新的机器学习模型，\texttt{plan-net}，基于贝叶斯神经网络的合奏，产生更准确的推论比随机森林的合成传输光谱的相同数据集。我们证明，合奏提供了更高的精度和更强大的不确定性比一个单一的模型。除了首次使用贝叶斯神经网络进行大气反演外，我们还为贝叶斯神经网络引入了一个新的损失函数，用于学习模型输出之间的相关性。重要的是，我们表明，设计机器学习模型来明确地结合特定领域的知识，既可以提高性能，又可以通过推断检索到的大气参数的协方差来提供额外的见解。我们将\texttt{plan-net}应用于哈勃太空望远镜WASP-12 b的宽视场相机3透射光谱，并检索与文献一致的等温温度和水丰度。我们强调，我们的方法是灵活的，可以扩展到更高分辨率的光谱和大量的大气参数。
2019-05-25 astro-ph.EP cs.LG
Probing the geological setting of exoplanets through atmospheric analysis: using Mars as a test case
本研究通过观测火星反射光，利用高分辨率光谱和LSD技术分析CO2信号，验证了通过系外行星大气信号强度变化探测其地质背景的可行性。
2025-10-10 astro-ph.EP
Characterizing Exoplanetary Atmospheres: New Views on Exoplanet Composition and Chemistry
本文综述系外行星大气研究的核心开放问题，并总结JWST与地面观测在气态巨行星、亚海王星及M型恒星周围类地行星大气表征方面的进展与目标。
2024-05-07 astro-ph.EP
A Fast, Parallelized, GPU-Accelerated Photochemical Model, XODIAC, with Built-in Equilibrium Chemistry and Multiple Chemical Networks for Exoplanetary Atmospheres
XODIAC是一种快速并行化的GPU加速光化学模型，支持多种化学网络，用于研究系外行星大气化学，展示了其在比较性研究中的高效性和准确性。
2025-12-07 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.chem-ph
Supervised Machine Learning for Analysing Spectra of Exoplanetary Atmospheres
机器学习的使用在天文学中越来越普遍，但在系外行星大气层的研究中仍然很少见。给定系外行星大气的光谱，实时扫描多参数空间以找到最佳拟合模型。它被称为大气检索，是一种起源于地球和行星科学的技术。这种方法非常耗时，并且必然存在物理和化学现实主义与计算可行性之间的折衷。机器学习以前曾被用来确定模型中包含哪些分子，但检索本身仍然使用标准方法进行。在这里，我们报告了监督机器学习的随机森林方法的适应性，在预先计算的大气模型网格上训练，该模型检索分子丰度和云不透明度的完整后验分布。使用预先计算的网格允许将大部分计算负担转移到离线。我们展示了我们的技术上的热气体巨型系外行星WASP-12 b的透射光谱使用五参数模型（温度，恒定的云不透明度和体积混合比或相对丰度的水，氨和氰化氢的数量）。我们得到的结果与标准的嵌套抽样检索方法一致。此外，我们可以估计测量光谱对约束模型参数的敏感性，并且我们可以量化光谱的信息内容。我们的方法可以直接应用于更复杂的大气模型，也可以解释一个合奏的光谱，而不必重新训练的随机森林。
2018-06-11 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.data-an
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
Assessing methods for telluric removal on atmospheric retrievals of high-resolution optical exoplanetary transmission spectra
本文通过向ESPRESSO观测注入不同轨道周期的行星信号，比较molecfit与SysRem在高分辨率光学透射光谱大气反演中去除地球大气并保留行星信号的效果。
2024-10-25 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
On degeneracies in retrievals of exoplanetary transmission spectra
从透射光谱中准确估计系外行星的大气特性需要了解模型参数和观测之间的简并性，从而可以解决这些问题。我们进行了系统的调查，这样的退化使用详细的大气反演和一系列的模型假设相结合，专注于H $_2$丰富的大气。作为一个案例研究，我们考虑了研究得很好的热木星HD 209458 b。我们进行广泛的检索与模型，从简单的等温和等压的气氛，以那些与完整的压力-温度分布，不均匀的云/霾覆盖，多个分子种类，并在光学-红外波长的数据。我们的研究揭示了四个关键的见解。首先，我们发现，最小的假设和宽带传输光谱与现有设施的模型相结合，可以精确估计化学丰度。特别是，高精度的光学和红外光谱以及模型，包括可变的云覆盖和突出的不透明度来源，钠和钾是重要的光学，提供云/霾特性和化学丰度的联合约束。第二，我们表明，行星半径和参考压力之间的简并性特征很好，对丰度估计的影响很小，与以前使用半解析模型的说法相反。第三，由于H $_2$ -H $_2$和H $_2$ -He相互作用引起的碰撞诱导吸收在正确估计大气丰度中起着关键作用。最后，我们的研究结果突出了简化的半解析模型与等压假设的透射光谱的可靠检索的不足。目前的设施，如HST和VLT获得的透射光谱可以提供强大的约束大气中的系外行星丰度。
2019-04-10 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
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
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
Toward a multidimensional analysis of transmission spectroscopy. Part III: Modelling 2D effects in retrievals with TauREx
致力于研究系外行星大气的新一代光谱仪需要高精度的大气模型，以更好地解释输入光谱。由于空间任务，观测到的光谱将覆盖从可见光到中红外的大波长范围，与老一代仪器相比精度更高，揭示了来自大气不同区域的复杂特征。对于高温和超高温的彗星（HJ和UHJ），光谱复杂性的主要来源来自白天和黑夜之间的热和化学差异。在这种情况下，一维平面平行检索模型的大气可能不适合提取的复杂性，这样的光谱。此外，贝叶斯框架是计算密集型的，并阻止我们使用完整的三维自洽模型来检索系外行星大气。我们提出了TauREx 2D检索代码，它使用二维大气模型作为计算成本和模型精度之间的一个很好的妥协，以更好地推断最热行星的系外行星大气特征。TauREx 2D在整个边缘使用2D参数化，该参数化计算来自假设方位角对称的系外行星大气的透射光谱。它还包括各种物质的热解离模型。我们证明，给定一个输入观测，TauREx 2D减轻了检索到的大气参数和真实大气参数之间的偏差。我们还表明，有一个本地温度和成分之间的联系的先验知识是有助于推断大气的温度结构。最后，我们应用这样一个模型上的合成光谱计算从GCM模拟WASP-121 b和显示如何参数偏差可以被删除时，使用二维正演模型在整个肢体。
2022-07-28 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
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
Young M dwarfs flare activity model: Towards better exoplanetary atmospheric characterisation
University of Oslo（奥斯陆大学）；National Solar Observatory, University of Colorado Boulder（美国国家太阳天文台，科罗拉多大学博尔德分校）；Department of Astrophysical and Planetary Sciences, University of Colorado（科罗拉多大学天体物理与行星科学系）；Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室）；Rosseland Centre for Solar Physics, University of Oslo（奥斯陆大学罗斯兰太阳物理中心）；Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo（奥斯陆大学理论天体物理研究所）
本文提出YMDF模型，用于模拟年轻M型矮星耀斑的时间依赖光谱，以更准确地研究系外行星大气特征。
2025-11-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
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
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
How black hole activity may influence exoplanetary evolution in our Galaxy
本研究首次纳入黑洞活动历史，分析银河系中心超大质量黑洞吸积产生的高能辐射对系外行星大气的光蒸发效应，发现其对银心区域行星大气及宜居性有重要影响，也提及恒星质量黑洞的相关情况。
2024-10-29 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Inferring heat recirculation and albedo for exoplanetary atmospheres: Comparing optical phase curves and secondary eclipse data
一些行星的基本大气特性，如日面和夜面之间的热量重新分配，已经通过对次日食和热相位曲线的观测而推断出来。光学相位曲线还没有被用来约束这些大气特性一致。我们重新建模先前发表的CoRoT-1b，TrES-2b和HAT-P-7 b的相位曲线，并推断出反渗透率和再循环效率。然后将这些数据与先前基于二次日食数据的估计进行比较。我们使用物理上一致的模型来构造光学相位曲线。该模型考虑了朗伯反射、热辐射、椭球变化和多普勒增强。CoRoT-1b显示了不可忽略的散射散射（0.11<AS<0.3，95%置信度）以及小的昼夜温度对比，表明白天和黑夜之间的能量重新分布中等到高度。这些值与以前的二次日食和相位曲线分析相反。在HAT-P-7 b的情况下，模型结果表明相对较高的散射散射系数（AS=0.3）。这证实了以前的相位曲线分析，但是，它是在轻微矛盾的值从二次日食数据推断。对于TrES-2b，这两种方法产生非常相似的估计的热循环和热再循环。从二次日食和光学相位曲线分析中推断出的再循环值和反射值之间的差异可能被解释为光学和红外观测探测不同的大气层，从而探测温度的暗示。
2015-12-15 astro-ph.EP
Exoplanetary Monte Carlo Radiative Transfer with Correlated-k I. Benchmarking Transit and Emission Observables
目前对系外行星的观测数据提供了越来越多的关于其3D大气结构的细节。随着表征工作范围的扩大，开发一致的3D辐射传输方法的需求变得更加相关，因为系外行星的复杂大气特性需要一致地建模在一起。我们的目的是比较透射和发射光谱的三维蒙特卡罗辐射转移（MCRT）模型的当代辐射转移套件的结果。我们进行了几个基准测试的MCRT代码，云蒙特卡罗辐射转移（CMCRT），传输和发射光谱模型输出。我们通过使用k分布表作为输入不透明度来增加模型的灵活性。我们提出了一个混合MCRT和射线追踪方法计算透射光谱的多重散射组件。CMCRT在10 s的ppm水平下与透射光谱基准进行了比较。发射光谱基准与1D模型的一致性在10%以内。我们认为基准测试结果的差异可能是由平面平行模型和球面模型之间的几何效应引起的。在实际应用中，我们后处理多云3DHD 189733 b GCM模式，并与现有的观测数据进行比较。我们的研究结果表明，CMCRT的核心方法和算法产生一致的结果，当代辐射转移套件。3D MCRT方法非常适用于多云和非多云的1D和3D系外行星大气模拟的详细后处理，其中大气不均匀性，显著的边缘效应/几何形状或多重散射分量是重要的考虑因素。
2019-05-20 astro-ph.EP
Exoplanetary Atmospheres: Key Insights, Challenges and Prospects
系外行星科学正处于一场前所未有的革命的边缘。在过去十年中发现的数千颗系外行星最近又发现了附近低质量恒星周围的潜在宜居行星。目前，该领域正在迅速发展到详细的光谱观测，以确定这些行星的大气层。虽然来自太空和地面的各种调查预计将探测到更多围绕附近恒星运行的系外行星，但即将发射的JWST以及大型地面设施预计将彻底改变系外行星光谱学。这些观测，结合详细的理论模型和反演方法，为了解系外行星大气中的各种物理过程和化学成分提供了有价值的见解。根据行星的性质，大气成分的知识也可以对行星的形成和迁移机制、地球物理过程以及最终的生物特征产生重要的限制。在本综述中，我们将讨论系外行星大气这一前沿领域的现代和未来景观。我们将首先简要回顾该领域，强调从不同的观测方法和理论研究中获得的关键见解。其次是对该领域三个前沿分支的最新技术、挑战和未来前景的深入讨论。
2019-04-05 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
Exoplanetary atmospheric sodium revealed by the orbital motion. Narrow-band transmission spectroscopy of HD 189733b with UVES
在主凌日期间，可以使用透射光谱学测量系外行星大气的光谱特征。这项工作的目标是精确测量HD 189733 b的大气钠吸收光变曲线，校正恒星差异边缘变暗，恒星活动和由系外行星径向速度变化引起的“碰撞”的影响。事实上，由于我们数据的高节奏和高质量，这是第一次可以通过视觉检查检测到最后一个特征。我们使用安装在VLT的UVES仪器拍摄的244个高分辨率光谱。我们的观测涵盖了HD 189733 b的完整凌日，节奏为45秒。为了探测钠的透射光谱，我们在每个钠D-线的核心内，在1 μ m、1.5 μ m和3 μ m的通带内，对恒星通量进行积分，得到多余的光变曲线。我们模拟外部源的影响，多余的光变曲线，这对应于一个观察到的恒星耀斑开始接近中期过境时间和波长依赖的边缘变暗的影响。此外，通过表征恒星钠线内行星钠线的径向速度变化和多普勒频移的影响，我们估计了系外行星钠特征的深度和宽度。我们通过高斯分布估计了行星钠线的形状，其等效宽度为0.0023 \pm 0.0010 nm，从而证实了钠在HD 189733 b大气中的存在，其过量吸收水平为0.72 \pm 0.25%，0.34 \pm 0.11%，对于1 μ m、1.5 μ m和3 μ m的积分带，分别为0.20 \pm 0.06%。从这些，我们产生一个一阶估计的数密度的钠在系外行星的大气。
2016-12-09 astro-ph.EP astro-ph.SR
To Sample or Not To Sample: Retrieving Exoplanetary Spectra with Variational Inference and Normalising Flows
本研究提出结合归一化流神经网络与可微分前向模型Diff-Tau的变分推断方法，用于系外行星大气检索，实现单次观测训练、高保真后验分布，并减少75%计算量，首次实现贝叶斯模型选择。
2023-11-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
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
The JADE code: Coupling secular exoplanetary dynamics and photo-evaporation
针对近距行星缺乏高精度耦合轨道迁移与大气逃逸模型的问题，开发了JADE代码以模拟长期大气与动力学演化，并在GJ436 b上揭示了两者间的强烈相互作用，表明迁移可推迟蒸发从而塑造热海王星沙漠边缘。
2021-03-03 astro-ph.EP astro-ph.IM
Characterizing the Habitable Zones of Exoplanetary Systems with a Large Ultraviolet/Visible/Near-IR Space Observatory
了解低质量恒星宜居带（HZ）中地球大小的岩石行星的表面和大气条件是目前最大的天文学努力之一。在未来几十年中，仅仅了解行星有效表面温度不足以准确地解释生物特征气体。紫外恒星光谱驱动和调节类地行星上的高层大气加热和化学，对生物特征气体的定义和解释至关重要，甚至可能在我们寻找生物活动时产生假阳性。本白皮书简要介绍了对整个系外行星系统（恒星和行星）进行全色观测的科学动机，认为未来的美国宇航局紫外/可见/近红外空间观测站非常适合开展这项工作，并介绍了未来十年可以实现的技术发展目标，以支持在2020年代开发紫外/可见/近红外旗舰任务。
2015-05-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
Modeling Exoplanetary Atmospheres: An Overview
我们回顾了当今时代系外行星模型大气计算的几个方面，重点是了解大气的温度-压力分布及其发射光谱。大多数的焦点是在气体巨行星，无论是在强烈的恒星辐射和孤立。恒星辐射，金属丰度，表面重力，C/O比，内部通量和云不透明度的作用进行了讨论。在适当的情况下，与研究得很好的褐矮星以及亚海王星和类地行星的大气层建立了联系。给出了热发射光谱上模型大气反演的说明性例子，并在大气丰度和行星形成模型的预测之间建立了联系。
2018-04-22 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
Atmospheric Dynamics of Hot Exoplanets
过去十年来，对系外行星大气层的定性已经成熟，因为天文技术现在允许测量日冕、化学丰度、温度分布和地图、旋转周期，甚至风速。大气动力学设定密度、温度和速度的背景状态，这些状态决定或影响系外行星大气的光谱和时间外观。热的系外行星最适合这些表征技术;在本综述中，我们专注于高辐射，大型系外行星（“热彗星”），因为天文数据开始面临理论问题。总结了从天文观测中推断的基本大气量。我们通过解决一系列当前问题来回顾最先进的技术，并通过考虑一组单独的探索性问题来展望未来。达到下一个层次的理解将需要共同努力，为基准对象构建多方面，多波长的数据集。了解云是一个巨大的障碍，因为它们将简并引入光谱的解释中，而它们的性质和存在直接受到大气动力学的影响。用这些多方面的、多波长的数据集来对抗大气环流模型将有助于我们理解这些和其他退化。未来十年将见证下一代天文数据的理论和模拟的决定性对抗。
2014-10-10 astro-ph.EP
Energy deposition in planetary and exoplanetary atmospheres induced by cosmic rays
University of Bern（伯尔尼大学）
本研究利用CosmicTransmutation代码模拟宇宙射线与行星磁场相互作用，发现磁场显著影响能量沉积，且需同时考虑银河宇宙射线和恒星高能粒子两种源。
2026-09-17 astro-ph.EP astro-ph.HE
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
Characterization of exoplanetary atmospheres with SLOPpy
透射光谱学是推断凌日行星高层大气中主要不透明度来源以及限制热层和未束缚外逸层组成的最富有成效的技术之一。没有能够自动提取高分辨率透射光谱的公共工具会造成科学结果的可重复性问题。因此，很难比较不同研究小组获得的结果，也很难对系外行星大气进行均匀的定性。在这项工作中，我们提出了一个标准的，公开的，用户友好的工具，命名为SLOPpy（谱线行星与Python），自动提取和分析的光学透射光谱的系外行星尽可能准确。SLOPpy首先执行几个数据简化步骤，以校正天空发射，大气色散，大地特征和星际线的存在，中心到边缘变化和Rossiter McLaughlin效应的输入光谱，从而使其成为最先进的工具。该流水线已成功地应用于HARPS和HARPS-N数据的理想目标的大气特征。首先评估代码的性能，并验证其适用性，在这里，我们提出了一个比较从以前的其他作品HD 189733 b，WASP-76 b，WASP-127 b和KELT-20 b的分析结果。将我们的结果与分析相同数据集的其他作品进行比较，我们得出结论，该工具在大多数情况下在1 $σ$内给出与已发表结果一致的结果，同时使用SLOPpy提取具有相似或更高统计显著性的行星信号。
2022-08-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Atmospheric Circulation of Exoplanets
我们调查大气动力学的基本原则，解释现有的和未来的观测系外行星，包括气体巨星和陆地。由于缺乏关于系外行星大气的数据，我们的方法是强调从太阳系研究中获得的基本原则和见解，这些原则和见解可能适用于系外行星。我们首先介绍大气动力学中使用的基本方程的层次结构，包括纳维尔-斯托克斯，原始，浅水和二维无辐散模式。然后，我们调查大气动力学中的关键概念，包括行星旋转的重要性，平衡的概念，和缩放参数，以显示湍流相互作用通常如何产生大规模的东西带状旋转行星。接下来，我们将讨论巨行星特有的问题，包括它们预期的内部和大气热结构，对它们的风模式的影响，以及推动它们东西向喷流的机制。热木星大气动力学受到特别关注，因为这些近距离行星一直是系外行星大气研究中大多数具体发展的主题。然后，我们转向类地行星上的环流的基本要素，从太阳系的研究，包括哈德利细胞，喷流，管理大规模的水平温度对比的过程，和气候，我们讨论这些见解可能适用于类地系外行星。虽然系外行星肯定拥有比我们太阳系的行星上看到的更大的多样性的循环制度，我们的指导思想是，几十年的研究太阳系行星在这里审查提供了一个基础上，我们的理解更多的异国情调的系外行星气象学必须建立。
2009-11-16 astro-ph.EP
First Detection of Exoplanetary Cannabinoids: Evidence for THC and CBD in the Atmosphere of K2-18b
University of Chicago（芝加哥大学）；Coffeeshop Institute for Atmospheric Research (CIAR)（咖啡研究所大气研究中心）；Dutch Foundation for Elevated Sciences（荷兰提升科学基金会）；Institut de Fumée Atmosphérique（大气烟雾研究所）；Centre National de la Recherche Très Relaxante (CNRTR)（国家极度放松研究中心）；Max-Planck-Institut für Entspannungsforschung（马克斯·普朗克放松研究所）；Deutsches Zentrum für Grüne Chemie (DZGC)（德国绿色化学中心）；Royal Observatory of the Highlands（高地皇家天文台）；Scottish Institute for Hazy Atmospheres (SIHA)（苏格兰雾状大气研究所）；BC Chronic Research Institute（BC慢性病研究所）；Canadian Centre for Chill Exoplanetology (CCCE)（加拿大休闲系外行星学中心）；Instituto de Astrofísica Relajada（放松天体物理研究所）；Centro de Estudios Cannabinoides Extraterrestres (CECE)（地外大麻素研究中心）
研究首次在 K2-18b 大气中检测到 THC 和 CBD，通过 JWST 观测发现其光谱特征，并提出 Cannabis Habitable Zone 框架，探讨其可能的生物化学过程和外星文明存在可能性。
2026-03-31 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
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
Remote sensing of exoplanetary atmospheres with ground-based high-resolution near-infrared spectroscopy
由于现代仪器的进步，我们已经了解了许多质量和成分范围很广的系外行星。研究它们的大气层可以深入了解行星的起源、演化、动力学和可居住性。目前和未来的观测设施将通过使用更精确的观测、高分辨率光谱学和改进的分析方法来详细解决这些重要问题。我们研究了在近红外波段从预期的系外行星光谱中反演垂直温度分布和分子数密度的可行性。我们使用的测试情况下的CRIRES+，仪器在甚大望远镜，将在近红外1和5微米之间的分辨率R=100000和R=50000。我们还确定了最佳的波长覆盖范围和观测策略，以提高检索的准确性。利用热木星HD~ 189733 b的模拟辐射观测资料，利用最优估计方法反演了大气参数。辐射转移前向模型使用tauREx软件包的公共版本进行计算。我们的模拟表明，我们可以检索准确的温度分布在一个非常宽的范围内的大气压之间的1巴和$10^{-6}$酒吧取决于所选择的光谱区域。检索分子混合比非常具有挑战性，但在1.6微米和2.3微米左右的两个独立红外区域同时观测有助于获得准确的估计;系外行星光谱必须具有相对较高的信噪比S/N>10，而温度已经可以用我们在本研究中考虑的最低值（S/N=5）准确地推导出来。
2019-08-26 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
The Need for Laboratory Measurements and Ab Initio Studies to Aid Understanding of Exoplanetary Atmospheres
我们现在正处于改善系外行星观测的明确轨道上，这将彻底改变我们表征其大气结构，成分和循环的能力，从气体巨星到岩石行星。然而，能够解释即将进行的观测的系外行星大气模型往往受到实验室和理论数据的限制，这些数据是大气物理和化学工具的关键输入。在这里，我们提供了一个最新的和浓缩的描述，在这些领域，实验室和/或从头开始的研究可以填补我们对系外行星大气不透明度，云和化学建模能力的关键空白，建立在一个更大的2016年白皮书上，并得到了NAS系外行星科学战略报告的认可。现在是在这些领域取得进展的理想时机，但这一进展需要更好地获得，理解和培训光谱数据的产生，以及更好地了解在广泛的温度范围内由热和辐射引起的化学反应动力学。鉴于大多数已发表的研究都强调了相对类似地球的条件，我们可以期待重大和启发性的发现，因为重点转移到系外行星的异国情调的大气。
2019-05-16 astro-ph.EP
