Capturing the oxidation of silicon carbide in rocky exoplanetary interiors
理论模型预测碳化硅在C/O比高于0.65的宿主恒星周围凝结（参见图1）。C/O $_{\mathrm{Sun}}$ = 0.54），此外还对陨石、星际介质和原行星盘进行了观测。因此，从富含碳的耐火材料中产生的岩石系外行星的内部通常被认为含有大量的碳化硅。在这里，我们的目标是研究碳化硅在富含碳的岩石系外行星内部的稳定性，并推导出导致其转变的反应。我们进行了一项高压高温实验，以研究碳化硅层和代表富碳岩石系外行星主体成分的层之间的反应。我们报告的反应导致氧化碳化硅生产石英，石墨，和熔融硅化铁。结合以前的研究，我们表明，为了稳定碳化硅，碳饱和是不够的，和一个完整的还原铁$^{2+}$到铁$^{0}$在行星地幔是必需的，这表明未来的光谱检测的Fe $^{2+}$或Fe $^{3+}$的岩石系外行星的表面将意味着在其内部没有碳化硅。
2018-10-10 astro-ph.EP
The Pressure and Temperature Limits of Likely Rocky Exoplanets
系外行星的内部组成是不可观测的，限制了我们对其结构，组成和动力学的直接了解。最近描述的观测趋势表明，岩石系外行星，即没有明显挥发包层的行星，可能限于$<$ 1.5地球半径。我们表明，考虑到纯岩石超地球系外行星半径的可能上限，最大预期的核幔边界压力和绝热温度相对适中，630 GPa和5000 K，而最大中心核心压力在1.5和2.5 TPa之间变化。我们进一步发现，对于半径小于1.5地球半径的行星，核幔边界压力和绝热温度主要是行星半径的函数，对行星结构不敏感。因此，岩石系外行星内部的压力和温度低于最近的冲击压缩实验、从头计算和行星动力学研究所探索的压力和温度。我们进一步表明，相关的状态方程的外推不会引入显着的不确定性，这些行星的结构模型。质量半径模型是更敏感的散装组成比状态方程中的任何不确定性，即使外推到TPa压力。
2019-05-16 astro-ph.EP
Atmospheres of Rocky Exoplanets
岩石行星在其他恒星周围很常见，但它们的大气特性在很大程度上仍然不受约束。由于最近发现的大量行星和即将到来的观测能力的进步，我们准备在这十年内描述数十个岩石系外行星的大气层。在过去的几年里，对岩石系外行星大气层的理论理解已经取得了相当大的进展，对它们的演化、化学、动力学甚至可能的生物特征做出了可检验的预测。在这里，我们回顾了迄今为止在这一领域取得的主要进展，并讨论了未来的目标。我们的主要结论如下：1）许多岩石行星可能形成最初的H $_2$ -He信封，后来失去了空间，可能是由于恒星的紫外线/X射线照射和内部加热的组合。2)在演化的早期阶段之后，由于宿主恒星通量、大气逃逸率、内部交换和其他因素的变化，预计大气成分会有很大的多样性。3)观测结果排除了附近几颗岩石系外行星上存在以氢为主的大气层，以及一个目标上存在任何厚厚的大气层的可能性。在不久的将来，将有可能对这些行星和其他行星的大气层进行更详细的描述。4)系外行星生物圈搜索是一个令人兴奋的未来目标。然而，要对具有代表性的行星样本进行可靠的探测，就需要进一步提高观测能力，并增进我们对非生物行星过程的了解。
2022-07-25 astro-ph.EP
Thermal evolution of rocky exoplanets with a graphite outer shell
光球层C/O >0.65的恒星的原行星盘的化学演化模型和研究难熔碳径向输运的模型预测了具有大难熔碳存量的岩石系外行星的存在。高压高温实验室实验表明，这些系外行星中的大部分碳都分化成了石墨外壳。我们的目的是评估石墨外壳对含有金属核和硅酸盐地幔的岩石系外行星热演化的影响。我们实现了一个参数化的地幔对流模型，以确定石墨层厚度高达1000公里的岩石系外行星的热演化。我们发现，由于石墨的高导热性，传导是石墨层长期演化（> 2亿年）的主要热传输机制。导电石墨壳基本上表现为具有固定厚度的停滞盖。开普勒-37 b（水星大小）和火星大小的系外行星的模型显示，具有石墨盖的行星比具有硅酸盐盖的行星冷却得更快，而没有停滞盖的行星冷却得最快。石墨盖需要比相应的硅酸盐盖厚大约十倍，以便产生类似的热释放。
2019-10-10 astro-ph.EP
A Method to Identify the Boundary Between Rocky and Gaseous Exoplanets from Tidal Theory and Transit Durations
确定系外行星是岩石行星对于评估行星的可居住性至关重要。在观测上，小半径凌日行星的数量以及伴随的质量测量不足以可靠地确定过渡质量或半径。理论上，模型预测岩石行星可以成长到足够大，当它们达到10个地球质量时成为气体巨星，但过渡质量仍然未知。在这里，我将展示如何过境数据，解释在潮汐理论的背景下，可以揭示分离岩石和气体系外行星的临界半径。标准的潮汐模型预测，岩石系外行星的轨道比气态物体的轨道更快地潮汐圆化，这表明前者往往会在比后者更大的半长轴上的圆形轨道上被发现。良好采样的凌日可以提供最小的轨道偏心率，允许测量这种差分圆化。我表明，这种影响应该存在于开普勒航天器的数据，但并不明显。相反，似乎没有证据表明在任何行星半径上都存在潮汐循环，这可能是因为公开的数据，特别是碰撞参量，不够准确。我还审查了过境持续时间的偏置值小于圆形轨道上的行星，强调行星的方位角速度决定过境持续时间。开普勒行星候选者的集合可能能够确定岩石和气体系外行星之间的临界半径，潮汐耗散作为行星半径的函数，并区分潮汐模型。
2013-12-11 astro-ph.EP
Prospects for water vapor detection in the atmospheres of temperate and arid rocky exoplanets around M-dwarf stars
在温带岩石系外行星的大气中探测到水蒸气将是确定系外行星可居住性的一个重要里程碑。过去的模拟工作表明，云的形成可能会阻止詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）在具有表面海洋的类地行星上探测到水蒸气。在这里，我们分析了在不同类别的目标：干旱的行星上的H2O的大气探测的潜力。使用过境光谱模拟，我们表明，大气中的H2O可能更容易被检测到在干旱的行星与冷困冰存款的表面上，因为这样的行星不会拥有厚厚的H2O云甲板，限制过境深度的光谱特征。然而，额外的因素，如带重叠与二氧化碳和其他气体，灭绝的矿物尘埃，重叠的恒星和行星H2O线，并最终噪声地板可通过JWST仍然构成重要的挑战。因此，空间和地面光谱观测的结合将是未来可靠探测岩石系外行星上H2O的关键。
2022-01-20 astro-ph.EP
Can Rocky Exoplanets with Rings Pose as Sub-Neptunes?
在我们的太阳系中，光环的存在是气体巨星所独有的，但这是所有行星系的情况吗？原则上，岩石系外行星似乎也可能有环，这可以通过研究它们在凌日的入口和出口上的微妙印记来寻找。不幸的是，这样的效果是难以测量的，需要高精度的光度和/或光谱观测。不过，在最基本的层面上，环的存在会导致过境深度增加，这可能会被误认为是一个匿名的大半径。受此启发，我考虑了一群带环的系外行星将如何影响半径测量，重点是类地系外行星。结果发现，这个人口引入了增强的推断半径范围内的$\sim2-3R_\oplus$，不像子海王星已被确定在最近的过境调查。环是否可以解释所有或大多数次海王星似乎很困难，因为它需要很大一部分岩石行星有环（$\gtrsim40\%$）和/或$\sim2-3$的一个因素增加行星的数量与半径$\lesssim1.2R_\oplus$。即使环不能解释所有的亚海王星，这项工作表明，关注那些目前被归类为亚海王星的行星可能是寻找有环岩石行星的一个很好的起点。
2018-06-29 astro-ph.EP
Detection of an Atmosphere on a Rocky Exoplanet
我们报告了在一颗岩石系外行星GJ 1132 b上探测到的大气层，该行星在大小和密度方面与地球相似。大气透射光谱使用哈勃WFC 3测量检测，并显示在低平均分子量大气中的气溶胶散射，HCN和CH $_{4}$的光谱特征。我们模拟了大气损失过程，并得出结论，GJ 1132 b可能失去了原始的H/He包层，这表明我们探测到的大气已经重建。我们探讨了H $_{2}$地幔脱气的可能性，以前确定为这颗行星的理论研究的可能性，并发现，从超还原岩浆放气可以产生所观察到的大气。通过这种方式，我们利用观测到的系外行星透射光谱来深入了解类地行星的岩浆成分。在这颗岩石行星上探测到大气层，提出了一种可能性，即许多被认为是次海王星蒸发核心的强辐射超级地球行星，在有利的情况下，可能拥有可探测的大气层。
2021-03-09 astro-ph.EP
Mass-radius relationships of rocky exoplanets
行星经过其主星时的质量和半径由径向速度和光度观测提供。固体系外行星内部的结构模型，然后通过使用状态方程的径向密度分布，这是符合热力学的高压极限。然而，在某种程度上，这些结构模型遭受固有的简并性或非唯一性问题，由于主要缺乏知识的内部分化状态和/或可能存在的光学厚的气氛。我们在这里讨论的作用，相应的测量误差，这对行星的平均密度和散装化学成分的测定产生不利影响。行星半径的精确测量将变得越来越重要，因为这是单个固体低质量系外行星或超级地球径向密度模型的关键观测约束。
2012-11-14 astro-ph.EP
Water content of rocky exoplanets in the habitable zone
本文通过四层内部结构模型、潮汐加热与放射成因热计算，研究28颗宜居带岩质系外行星的水含量，识别出多颗可能拥有厚海洋层或水蒸气大气的候选行星。
2023-12-04 astro-ph.EP
A procedure for observing rocky exoplanets to maximize the likelihood that atmospheric oxygen will be a biosignature
在这里，我们提倡一种观测策略，以帮助优先考虑系外行星观测。它从更容易获得的观测数据开始，并根据避免氧气是假阳性甚至是不确定的生命特征的行星的可能性，对系外行星进行更困难的后续观测。我们发现，氧气是一个强大的生物特征，土地和地表水必须存在。没有陆地的系外行星的地球化学循环要慢得多，因此，虽然这些行星上可能存在光合作用的产氧生命，但它不能以与非生物速率（如光解）竞争的速率产生氧气。这些适合居住的行星，其生命将无法检测到，应该避免。
2018-01-22 astro-ph.EP
Atmospheres as a Window to Rocky Exoplanet Surfaces
本研究利用平衡化学模型发现类金星岩质系外行星的压力—温度状态边界可同时区分地壳矿物与大气组成，从而支持通过大气光谱推断表面矿物学。
2023-12-18 astro-ph.EP
Helium escaping from the atmosphere of a nearby rocky exoplanet orbiting in a habitable zone
Harvard University（哈佛大学）；Carnegie Science Observatories（卡内基科学天文台）；Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian（哈佛-史密森天体物理中心）；School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛工程学院与应用科学学院）；Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院卡弗里天体物理学与空间研究所）；Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院地球、大气和行星科学系）；Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science（卡内基科学机构地球与行星实验室）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；Department of Physics & Astronomy, Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学物理与天文系）；Department of Physics, Washington University（华盛顿大学物理系）
研究对LHS 1140b这颗位于宜居带的岩石系外行星进行光谱观测，通过近红外凌星光谱发现其大气有氦逃逸且随时间变化，解释结果与大气分馏模型一致，同一系统中更小且辐照更强的LHS 1140c未检测到氦吸收。
2026-07-17 astro-ph.EP
Atmosphere-interior exchange on hot rocky exoplanets
我们提供了短周期岩石系外行星与向阳面岩浆池和硅酸盐蒸汽气氛的大气压力和表面成分的估计。大气压力趋向于与表面岩浆的蒸汽压力平衡，而岩浆表面的成分是由部分蒸发和表面-内部交换的竞争效应决定的。我们使用基本模型来展示表面-内部交换如何受行星的温度，质量和初始成分控制。我们假设地幔岩石经历了大量熔融形成岩浆池，风从星下点径向流动。在这些假设下，我们发现：（1）当行星体硅酸盐FeO浓度较低时，大气-内部交换较快，而当FeO浓度较高时，交换较慢：（2）当亚星温度为$\lesssim$ 2400 K时，岩浆池的成分混合较好，而当亚星温度为$\gtrsim$ 2400 K时，岩浆池的成分变化较大，变化较快;（3）岩浆池中的电流倾向于冷却固体地幔的顶部（“构造制冷”）;（4）与早期的工作相反，许多岩浆行星具有随时间变化的表面成分。
2016-06-21 astro-ph.EP
What the Solar System Can Teach Us About Rocky Exoplanets
本文通过回顾太阳系类地天体的内部、表面和大气特征及其演化，为理解岩石系外行星的多样性和可能结局提供指导，强调类地天体随时间剧烈变化且相似大小质量可有不同结果。
2026-09-16 astro-ph.EP
The Composition and Mineralogy of Rocky Exoplanets: A Survey of >4,000 Stars from the Hypatia Catalog
我们对Hypatia目录中>4,000颗恒星的组成进行了调查，以研究岩石系外行星（即，那些岩石表面，主要是硅酸盐的）可能在地质学上与地球相似，至少在成分和矿物学方面。要做到这一点，我们探索各种报告的恒星成分，然后确定一个可能的范围外行星地幔矿物。我们发现，系外行星地幔将可能占主导地位的橄榄石和/或斜方辉石，这取决于核心形成过程中的铁分配。一些系外行星可能是镁橄榄石或石英饱和的，我们提出了一个新的分类方案的基础上的重量$\%$比（FeO+MgO）/SiO $_{2}$，以区分岩石类型。但完全外来的矿物应该是罕见的。我们发现，一半或更多的系外行星地幔矿物的范围是由核心的形成，我们使用$α_{Fe}$ = $Fe^{BSP}$ / $Fe^{BP}$模型，其中$Fe^{BSP}$是铁在块状硅酸盐行星（散装行星，减去核心），在阳离子重量$\%$的基础上（元素重量比例，不存在阴离子）和$Fe^{BP}$是阳离子重量$\%$的铁散装行星。在我们的太阳系中，$α_{Fe}$的变化范围从0（水星）到0.54（火星）。系外行星地幔矿物学的剩余变化来自恒星成分的非平凡变化。我们的主要氧化物分析也证实了早期的同位素研究，表明地球是非太阳（非南极）。我们还发现，主要的氧化物估计地球的地幔似乎排除了隐藏的组成部分，在地幔深处，将允许一个大规模的太阳能/南极地球。如果它确实存在，这样一个隐藏的成分必须至少占地…
2019-07-11 astro-ph.EP
Planet Earth in reflected and polarized light: II. Refining contrast estimates for rocky exoplanets with ELT and HWO
本研究通过3D辐射传输模拟精化邻近岩石系外行星的反射光与偏振光对比度估计，发现简化模型高估对比度两倍，建议采用分数偏振测量以更好表征地球类似行星。
2025-06-04 astro-ph.EP
A Simple Analytical Model for Rocky Planet Interiors
这项工作旨在探索岩石系外行星之间的标度关系。在假设内核内部重力线性增加，地幔内部重力保持不变的前提下，建立了一个适用于内核质量分数（CMF）为$\in 0.1\sim0.4$和质量为$\in 0.1 \sim 10 M_{\oplus}$的岩石系外行星的简单模型。推导出各种标度关系：（1）核心半径分数$\rm CRF \approx \sqrt{CMF}$，（2）典型内部压力$P_{\text{typical}} \sim g_{\rm{s}}^2$（表面重力平方），（3）核心形成能$E_{\rm diff} \sim \frac{1}{10} E_{\rm grav}$（总重力能），（4）地幔有效热容量$C_{\rm p}\approx \left( \frac{M_{\rm{p}}}{M_{\oplus}} \right) \cdot 7 \cdot 10^{27}$ JK $^{-1}$，以及（5）转动惯量$I\approx \frac{1}{3} \cdot M_{\rm{p}} \cdot R_{\rm{p}}^2$。这些比例关系虽然是近似的，但由于其简单明了，便于快速使用，并提供了对岩石系外行星内部结构的见解。以地球、GJ 1132 b、Kepler-93 b和Kepler-20 b等几颗行星为例，对该模型进行了应用，并与数值方法进行了比较。
2016-09-29 astro-ph.EP
The atmospheres of rocky exoplanets III. Using atmospheric spectra to constrain surface rock composition
本研究建立了岩石质系外行星大气光谱特征与地壳矿物成分的联系，通过自下而上的大气模型和理论凌星光谱，实现了仅凭光谱观测约束行星表面岩石成分。
2025-05-13 astro-ph.EP
Mineralogy, structure and habitability of carbon-enriched rocky exoplanets: A laboratory approach
富含碳的岩石系外行星被认为围绕着矮星以及双星、白矮星和双星。然而，这些行星的矿物组成受到很大的限制。我们对富含碳的化学混合物进行了高压高温实验室实验（$P$ = 1 $-$ 2 GPa，$T$ = 1523 $-$ 1823 K），以研究冥王星到火星大小的行星的内部深处较大行星的上地幔。我们的研究结果表明，这些系外行星，当完全分化，包括一个金属核心，硅酸盐地幔和硅酸盐地幔顶部的石墨层。硅酸盐矿物学（橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和尖晶石）在很大程度上不受碳含量的影响。在Fe-C-S系统中，金属要么是两种不混溶的富铁合金（富S和贫S），要么是单一的富铁合金，其不混溶性取决于S/Fe比和堆芯压力。在我们的实验条件下，石墨是主要的含碳相，没有碳化硅或碳酸盐的痕迹。如果体碳含量高于使地幔和地核饱和所需的含量，石墨将以硅酸盐地幔顶部的额外层的形式存在。对于足够厚的石墨层，由于高压，金刚石将在该层的底部形成。我们对开普勒-37b的内部结构进行了建模，结果表明，仅仅10重量%的石墨层就会使其衍生质量减少7%，这表明未来的太空任务可以确定具有不显著气体包层的岩石系外行星的半径和质量，从而对其碳含量进行定量限制。未来对表面富含石墨的岩石系外行星的观测将显示出由于石墨的低反射率而导致的低反射率。表面上除了碳之外没有其他生命元素，这可能使它们不适合居住。
2019-02-14 astro-ph.EP
The Effect of Lower Mantle Metallization on Magnetic Field Generation in Rocky Exoplanets
最近的理论和实验证据表明，许多被认为存在于类地系外行星地幔中的物质将在地幔压力下金属化并成为电的良导体。这使得这些行星的地核和地幔之间有很强的电磁耦合。我们使用一个数值发电机模型来研究金属化下地幔对类地系外行星发电机的影响，使用几个内核大小和地幔电导率。我们发现，由于磁场拉伸的增加，导电地幔的加入导致更强的核幔边界场。我们还发现，金属化地幔不稳定的发电机导致较少的偶极，轴对称极向磁场在核幔边界。导电地幔有效地屏蔽了这些磁场，从而产生较弱的表面磁场。我们的结论是，一个导电的地幔将使太阳系外地球磁场的检测更加困难，而使发电机区域的磁场更强。
2013-04-25 astro-ph.EP
Planetary Magnetism as a Parameter in Exoplanet Habitability
来自太阳系的证据表明，与金星和火星不同，地球上强磁偶极矩的存在有助于维持其表面的液态水。因此，行星磁性可能对岩石系外行星上大气和液态水的长期维持产生重大影响。我们使用Olson和Christensen（2006）的模型来估算半径为R ${}_{p}$ $\le$ 1.23 R $_\oplus$的岩石系外行星的磁偶极矩。即使在模拟最大磁偶极矩时，也只有开普勒-186 f的磁偶极矩大于地球的磁偶极矩，而在星周宜居带探测到的岩石系外行星中，大约有一半的磁偶极矩可以忽略不计。这表明，在优先观测潜在的宜居行星时，行星磁性是一个重要因素。
2019-03-07 astro-ph.EP
Indexing Exoplanets with Physical Conditions Potentially Suitable for Rock-Dependent Extremophiles
在宇宙其他地方寻找不同的生命形式是天体物理学和天体生物学的一个迷人的研究领域。目前，根据NASA系外行星档案数据库，已经发现了3876颗系外行星。地球相似性指数（ESI）定义为半径、密度、逃逸速度和地面温度的几何平均值，范围从0（与地球不同）到1（与地球相似）。ESI的创建是为了根据系外行星与地球的相似性对其进行索引。在本文中，我们研究了岩石系外行星，其物理条件可能适合于依赖岩石的极端微生物的生存，如蓝细菌Chroococcidiopsis和地衣Acarospora。首先介绍了岩石相似性指数（RSI），然后将其应用于1659颗岩石系外行星。RSI代表了对类地行星的测量，在这些行星上的物理条件可能适合于可以在类地极端栖息地（即，炎热的沙漠和寒冷冰冻的土地）。
2020-02-28 astro-ph.EP
Idealised 3D simulations of diabatically-forced Ledoux convection. Application to the atmosphere of hot rocky exoplanets
我们研究了热成分非绝热过程对对流数值模拟的影响。我们的研究集中在模拟与稳定的温度梯度和不稳定的平均分子量梯度。我们的目标是建立在这样的设置降低温度梯度的可能性。一套三维模拟进行了使用数值流体动力学代码。作为一个简化的测试案例，我们使用了一个热岩石系外行星的次级大气样本区域，在该区域内可能发生CO+O $\leftrightarrow$ CO $_{2}$的化学转变。牛顿冷却和化学源项用于保持负的平均分子量梯度。我们的研究结果表明，这种设置可以降低温度梯度，这一结果不会随着分辨率或时间的推移而收敛。我们还表明，降低的温度梯度的存在是强迫时间尺度的函数。当化学强迫快速时，上述过渡导致温度分布的分叉，这让人想起蒸汽/液体对流沸腾危机中所见的分叉。在这些理想化的设置中，温度梯度降低，存在着类似于岩石系外行星大气光谱中的变红（目前在棕矮星光谱中观察到）的可能性。详细的一维建模是必要的，为了表征平衡的热梯度和成分梯度，时间尺度，以及一个现实的状态方程的影响，以评估如果这里确定的制度将在现实的情况下发展。然而，不能先验地排除这种可能性。这一预测对于地球大气来说是新的，并且代表了在分析岩石系外行星的大气光谱时使用非绝热模型的强烈动机，这些岩石系外行星将用例如詹姆斯·韦伯太空望远镜观测。
2021-06-23 astro-ph.EP
Temperature Structure and Atmospheric Circulation of Dry, Tidally Locked Rocky Exoplanets
下一代太空望远镜将观测环绕M矮星附近的岩石行星的大气层。理解这些观察结果除了数值模拟之外还需要成熟的理论。在这里，我们提出了理论模型的温度结构和大气环流的干燥，潮汐锁定岩石系外行星与灰色辐射转移和测试它们使用的大气环流模型（GCM）。首先，我们发展一个辐射对流模式，捕捉缓慢旋转和冷大气的地面温度。第二，我们表明，大气环流作为一个全球热机，这对大规模的风速有很强的约束。第三，我们发展了一个辐射-对流-沉降模式，将我们的辐射-对流模式扩展到热而薄的大气。我们发现，岩石行星开发大昼夜温度梯度的比值波辐射的时间尺度高达两个数量级小于工作建议的值热彗星。小的比率是由于热机效率低和对流大气中上升气流和下沉气流之间的不对称。第四，我们使用GCM模拟，旋转只有在大气是热的或薄的温度结构有很强的影响。我们的模型让我们绘制出GJ 1132 b等行星的大气场景，并展示了热相位曲线如何限制它们。测量短周期行星的相位曲线将需要詹姆斯韦伯太空望远镜通过凌日光谱检测分子的类似时间，因此未来的观测应该同时采用这两种技术。
2016-05-03 astro-ph.EP
Characterizing the oxidation state of rocky exoplanets with the Large Interferometer for Exoplanets (LIFE)
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；SRON Netherlands Institute for Space Research（荷兰空间研究研究所）；Freie Universität Berlin, Institute of Geological Sciences（柏林自由大学地质科学研究所）；NASA Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；ETH Zurich, Institute for Particle Physics & Astrophysics（苏黎世联邦理工学院粒子物理与天体物理研究所）；ETH Zurich, Department of Earth and Planetary Sciences（苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系）
本研究评估系外行星大型干涉仪（LIFE）的性能，利用基于ARCiS和LIFEsim的反演框架，通过光谱测量区分类地大小岩质系外行星的氧化态，明确了不同氧化态下的特征示踪分子。
2026-07-31 astro-ph.EP
Hydrodynamic Escape of Mineral Atmosphere from Hot Rocky Exoplanet. I. Model Description
最近的系外行星统计数据表明，光蒸发对近距离低质量行星的质量和体积组成有很大影响。虽然有许多研究涉及富氢或富水大气的光蒸发，但尚未进行有关岩石蒸汽大气（或矿物大气）的详细调查。本文建立了一个新的一维水动力学模型，模拟了由Na、Mg、O、Si及其离子和电子组成的矿物大气在紫外光照射下的分子扩散、热传导、光化学/热化学、X射线和紫外线加热以及辐射线冷却（即，光学厚度和非LTE的影响）。本文的重点是描述我们的方法，但提出了一些新的发现。我们的流体动力学模拟表明，几乎所有的入射X射线和紫外线能量从主星转换成和损失的冷却剂气体物种，如钠，镁，镁$^+$，硅$^{2+}$，钠$^{3+}$和硅$^{3+}$的辐射发射。对于一颗围绕年轻太阳型恒星公转0.02~AU的地球大小的行星，我们发现X射线和紫外线的加热效率只有$1 \times 10^{-3}$那么小，相当于在各个方向上简单积分的质量损失率为0.3~ $\Mearth$ /Gyr.由于这种有效的冷却，质量为$1\Mearth$的热岩石系外行星上的矿物大气的光蒸发量不足以对行星质量和整体组成产生重大影响。这表明，尺寸大于地球半径的近距离高密度系外行星在高紫外线环境中生存。
2020-12-19 astro-ph.EP
Magnetodynamo Lifetimes for Rocky, Earth-Mass Exoplanets with Contrasting Mantle Convection Regimes
我们使用了一个铁的核心的热模型来计算在地球质量的岩石行星，以确定发电机的寿命和强度与不同的地幔构造制度，地面温度，和核心属性的行星的敏感性magnetodynamo演化。在核幔边界（CMB）的热流来自于地幔对流的数值模型与粘性/假塑性流变学，捕捉板状构造的现象。我们的热演化模型预测了地球的长寿命（~8 Gyr）场和具有板块构造的地球质量系外行星的类似发电机演化。升高的地面温度和压力依赖的地幔粘度都降低了CMB热流，但只产生稍微长寿命的发电机（~8-9.5 Gyr）。具有相对较低CMB热流的单板（“停滞盖”）行星产生长寿命（~10.5 Gyr）发电机。这些较弱的发电机可以停止数十亿年，随后由于与内核增长相关的额外熵产生而重新激活，这可能解释了今天金星上没有磁场。我们还表明，发电机的操作是敏感的初始温度，大小和固相线的行星的核心。这些依赖性将严重挑战任何试图根据磁场的存在或不存在来区分具有板块构造和停滞盖的系外行星的尝试。
2013-04-09 astro-ph.EP
The Persistent Thermal Anomalies in Rocky Worlds
Washington University（华盛顿大学）
研究类地行星日侧热辐射异常，探讨其可能的内部热源及大气存在证据，发现现有内部过程无法解释观测到的热异常，推测可能由恒星污染或其他未考虑因素导致。
2026-03-30 astro-ph.EP
Can comets deliver prebiotic molecules to rocky exoplanets?
本研究通过解析模型和N体模拟，发现彗星向岩石系外行星输送前生物分子需要低速撞击，且紧密堆积系统中太阳质量恒星周围的行星最有利于完整输送，并预测生物特征与行星质量、恒星质量和行星间距相关。
2023-10-19 astro-ph.EP
Revisited Mass-Radius relations for exoplanets below 120 Earth masses
系外行星的质量和半径是描述它们的特性所需要的基本量。研究系外行星的不同种群对于了解不同行星类型的人口统计非常重要，然后可以将其与行星的形成和演化联系起来。我们提出了一个更新的系外行星目录的基础上可靠，强大的，尽可能准确的质量和半径测量过境行星多达120 $M_{\oplus}$。由此产生的质量-半径（M-R）图显示了两个不同的种群，对应于岩石和富含挥发物的系外行星，它们在质量和半径上都重叠。岩质系外行星群的密度变化相对较小，最终质量为$\sim25 M_{\oplus}$，这可能表明可以形成的最大核心质量。我们利用纯水的组成线来区分这两个种群，并据此推导出两个新的经验M-R关系：岩石种群的$ M = (0.9 \pm 0.06) \ R^{(3.45 \pm 0.12)}$和富含挥发分种群的$ M = (1.74 \pm 0.38) \ R^{(1.58 \pm 0.10)}$。虽然我们对这两种制度的结果与以前的研究一致，但新的M-R关系更好地匹配了从岩石到富含挥发物的系外行星过渡区的人口，这对应于5-25 $M_{\oplus}$的质量范围和2-3 $R_{\oplus}$的半径范围。
2019-11-15 astro-ph.EP
A link between rocky exoplanet composition and stellar age
研究发现岩石系外行星的组成与恒星年龄相关，较致密行星围绕年轻恒星，这源于银河系化学演化，影响行星形成条件与性质。
2025-03-26 astro-ph.EP astro-ph.SR
The dark and featureless surface of rocky exoplanet LHS 3844 b from JWST mid-infrared spectroscopy
Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian（哈佛-史密松天体物理中心）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；University of Chicago（芝加哥大学）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；California Institute of Technology（加州理工学院）；Peking University（北京大学）；The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；NASA Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）
利用JWST中红外光谱研究岩质系外行星LHS 3844 b表面，发现其表面为暗色低硅材质，排除了新鲜粉末表面和二氧化碳或二氧化硫气体的存在，表明其表面古老且经历空间风化。
2026-04-30 astro-ph.EP
A Stellar-Type Dependence in the Rocky and Volatile Composition of Small Exoplanets
The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
本研究通过混合模型分析小系外行星密度分布，发现FGK恒星周围行星的岩石核心质量分数比M矮星周围高约16%，且挥发分含量高度集中，表明行星组成强烈依赖恒星环境。
2026-09-10 astro-ph.EP
Utilizing a Database of Simulated Geometric Albedo Spectra for Photometric Characterization of Rocky Exoplanet Atmospheres
在未来的旗舰任务集中在实现直接成像的目标岩石系外行星的预期，我们已经开发了一个模型数据库，以帮助社区检查广泛的岩石行星大气的潜在光谱特征。使用公共可用的行星光谱生成器（PSG），我们已经计算了一个网格的141，600岩石系外行星的几何光谱跨越7维参数空间。使用这个网格，我们已经进行了颜色-颜色分析，寻求识别最有用的近紫外和红色或近红外光度跟踪通道，以与绿色光学（发现）光谱通道相结合。我们发现，在0.4微米，0.58微米，和（约）0.8微米的过滤器的组合能够区分大气中的四个不同的主要吸收成分的中到高浓度，给出至少10小时的观察一颗恒星在10秒差距与15米级的太空望远镜;然而，类似于太阳系岩石天体的中等丰度的天体将更难探测。我们建议，未来的任务寻求表征直接成像的岩石系外行星的颜色单独进一步考虑多波段测光作为行星特征的第一个测量。
2020-09-02 astro-ph.EP astro-ph.IM
Identifying Atmospheres on Rocky Exoplanets Through Inferred High Albedo
即将发射的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）意味着我们很快就有能力描述岩石系外行星的大气层。然而，目前还不清楚这些靠近M矮星的行星是否能够保留它们的大气层，或者来自恒星的高能辐射是否会从这些物体上剥离气体包层。我们提出了一种新的方法来检测大气的同步旋转的岩石系外行星周围的K/M矮星，通过使用热发射在二次日食推断高的昼侧日冕，只能用明亮的云来解释。基于对合理表面条件的计算，我们得出结论，对于亚恒星温度为$T_{sub}=$ 410-1250 K的行星，高的热膨胀系数可以明确地解释为大气层的信号。该范围对应于$T_{eq}=$ 300-880 K的平衡温度。我们比较了八种可能的行星表面成分的推断的云计算。我们确定，光学厚度大于$τ=0.5$ - $7$的云层，将具有足够高的反射率，可以与裸露的岩石表面区分开来。这种探测岩石行星大气层的方法是对现有探测大气层方法的补充，因为它提供了一种探测压力低于1巴的大气层的方法（例如火星），这种大气层过于稀薄，无法传输大量热量，但足够厚，可以容纳高密度云。
2019-11-22 astro-ph.EP
Compositional Diversity of Rocky Exoplanets
恒星组成对于检查岩石系外行星的密度和组成范围，测试它们与地球的相似性至关重要。恒星元素丰度和行星轨道数据显示，在大约5000种已知矿物中，行星外硅酸盐地幔将主要包含橄榄石、斜方辉石和单斜辉石、$\pm$石英和镁铁锰矿;可能不存在完全外来的矿物。了解这些奇异的地质系统需要更好地将地质见解与天文数据结合起来。对系外行星的研究就像一面镜子，反映了我们对地球和邻近行星的不完全理解;新的地质/行星实验，由系外行星研究提供信息，需要有效的进展。
2021-08-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.geo-ph
Density, not radius, separates rocky and water-rich small planets orbiting M dwarf stars
比海王星小的系外行星在红矮星（M矮星）周围很常见，其中那些经过其宿主恒星的行星构成了大部分已知的温带世界，适合大气特征。我们分析了M矮星周围所有已知的小型凌日行星的质量和半径，确定了三个种群：岩石，富含水和富含气体。我们的结果是不一致的，与以前已知的双峰半径分布所产生的大气损失的氢/氦信封。相反，我们认为密度差距将岩石和富含水的系外行星分开。包括轨道迁移的形成模型可以解释这些观测结果：岩石行星在雪线内形成，而富含水的世界在雪线外形成，然后向内迁移。
2022-09-08 astro-ph.EP
Hydrogen Cyanide in Nitrogen-Rich Atmospheres of Rocky Exoplanets
氰化氢（HCN）是生产生命基石的关键原料分子。在富含N $_2$的气氛中形成HCN首先需要N-$\equiv$ N之间的三键被切断，然后氮原子找到碳原子.这两个任务可以通过光化学、闪电、撞击或火山作用来完成。生产可观量的HCN的关键要求是N $_2$的自由可用性和C/O $\geq 1$的局部碳氧比。我们讨论了HCN的化学机制，可以形成和破坏的岩石系外行星与地球一样的N $_2$含量和地表水库存，不同的氧化态的主要含碳的大气物种。HCN最容易在富含甲烷（CH $_4$）或乙炔（C $_2$ H $_2$）的气氛中产生，但也可以在CO占主导地位的气氛中以显著量（$> 1$ ppm）产生。甲烷对于HCN的产生不是必需的。我们展示了如何破坏HCN在CO $_2$丰富的气氛中严重依赖于约束不良的能量势垒HCN与原子氧的反应。我们讨论了我们的研究结果检测光化学产生的HCN的影响，集中在地球表面的HCN，其重要性的生命前化学。
2019-02-21 astro-ph.EP
A first look at rocky exoplanets with JWST
本文综述了 JWST 对岩质系外行星的首次观测成果：虽已获得高精度透射光谱和低温热发射，但尚未确证大气，并提出“五个标高挑战”以推动未来在富氮大气中探测 CO₂。
2025-07-01 astro-ph.EP
H$_2$-dominated Atmosphere as an Indicator of Second-generation Rocky White Dwarf Exoplanets
继发现第一颗经过白矮星（WD）的系外行星候选者之后，一个描述WD周围类地系外行星大气的“白矮星机会”正在出现。大的行星与恒星的大小比，因此大的过境深度使过境WD系外行星成为透射光谱的有利目标-在中等詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）计划中可以实现对类地行星过境近距离WD的光谱特征的结论性检测。然而，尽管有明显的有希望的机会，但第一代WD系外行星的主序后（MS）进化历史从未被纳入大气模型。此外，在WD碎片盘中形成的第二代行星从未从光化学的角度进行过研究。我们证明，透射光谱可以识别第二代岩石WD系外行星厚（$\sim1$酒吧）H $_2$为主的气氛。此外，我们还可以根据WD系外行星的透射光谱推断其释气活动，并通过研究CH $_4$的积累来测试光化学失控。
2022-01-21 astro-ph.EP astro-ph.SR
The evolution of catastrophically evaporating rocky planets
本文构建耦合压力、密度与热演化的岩质行星内部模型，揭示灾难性蒸发行星近全固态且尘埃源自昼侧薄熔岩池，并据此约束亚地球质量近距类地行星的出现率。
2024-01-15 astro-ph.EP
A secondary atmosphere on the rocky exoplanet 55 Cancri e
研究利用 JWST 的 NIRCam 与 MIRI 获取 55 Cnc e 在 4–12 μm 的热辐射光谱，排除稀薄岩石蒸汽大气，证明其可能拥有由岩浆洋维持、富含 CO2 或 CO 的次生挥发物大气。
2024-05-08 astro-ph.EP
A rocky exoplanet classification method and its application to calculating surface pressure and surface temperature
由于目前探测到的系外行星超过5,000颗，因此需要一种主要的分类方法来优先考虑生物特征观测的候选者。在这里，我们开发了一种分类方法来分类岩石系外行星最接近的太阳系模拟使用现有的数据观测到的恒星和行星的功能，质量和半径，非热大气逃逸，热大气逃逸，恒星辐射边界。将这种分类方法应用于我们样本中的720颗岩石系外行星，这些行星在行星质量，半径，恒星温度和通过蒙特卡罗模型传播的通量方面具有不确定性，表明22% $\pm$ 8%是水星类似物，39% $\pm$ 4%是火星类似物，11% $\pm$ 1%是金星类似物，2% $\pm$ 1%是地球类似物，26%的$\pm$ 12%在我们的太阳系中没有已知的行星对应物。外推到LHS 3844 b和GJ 1252 b的条件下，我们的分类方法给出了与当前观测结果相当一致的结果。随后，为了证明这种分类方法的功能，我们在调整后的表面压力与温度相图上绘制了系外行星的编目样本，对潜在的表面相（气体，液体或冰）进行了更现实的估计。我们的新分类方法可以帮助未来系外行星表征任务的目标选择。
2023-01-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Interior Controls on the Habitability of Rocky Planets
本文综述岩石行星内部如何驱动表面条件和大气演化，探讨整体硅酸盐行星对宜居性起始、延续和停止的影响，并讨论相关观测方法与当前努力。
2024-03-26 astro-ph.EP
A New Spectral Library for Modeling the Surfaces of Hot, Rocky Exoplanets
本文构建了一个包含多种组成、质地和高温发射率测量的新光谱库，并将其整合到PLATON中，揭示了反照率不能可靠指示表面组成，同时确定了指示硅酸盐丰度和质地的关键光谱特征，为炽热岩石系外行星表面表征提供了重要依据。
2025-02-06 astro-ph.EP
Sulfate Aerosol Hazes and SO2 Gas as Constraints on Rocky Exoplanets' Surface Liquid Water
尽管表面液态水对可居住性很重要，但通过观测诊断系外行星上是否存在液态水仍然是一个悬而未决的问题。在太阳系内金星和地球上不同的硫循环的启发，我们调查厚硫酸盐（H2SO 4-H2O）气溶胶霾和高微量混合比的SO2气体作为可观察到的大气特征，其持续存在与几乎没有表面液态水。我们研究了一个岩石行星上的硫循环的基本原理与海洋和大气中的硫的主要形式是SO2气体和H2SO 4-H2O气溶胶（如地球和金星）。我们建立了一个简单但强大的湿氧化硫循环模型，以确定可检测到的SO2水平和可检测到的雾霾层所需的大气-海洋系统中硫的临界量。我们证明，物理上现实的海洋pH值（pH > 6）和保守的假设火山放气，化学和气溶胶微物理，表面液态水水库大于1 e-3地球海洋是不相容的持续可观测的H2SO 4-H2O烟霾层和持续可观测的SO2水平。因此，我们建议观测检测的H2SO 4-H2O霾层和SO2气体作为两个新的远程指标，一个行星没有主机显着的表面液态水。
2019-12-26 astro-ph.EP
The Atmospheres of Rocky Exoplanets I. Outgassing of Common Rock and the Stability of Liquid Water
到目前为止，人们对系外行星的大气层和地壳之间的相互作用知之甚少，但未来的太空任务和地面仪器有望探测到热岩系外行星光谱中的分子特征。我们的目标是了解与行星地壳平衡的系外行星大气中气体的组成。方法.在由固体和液体材料的混合物制成的表面上方的气体的分子组成通过假定对于给定的压力、温度和元素丰度的相平衡来确定。我们研究了代表地壳不同部分（陆壳、块状硅酸盐地球、大洋中脊玄武岩）的总元素丰度、CI榴辉岩和在污染的白矮星中测量的丰度。对于600 K和3500 K之间的温度，所有考虑的总元素丰度的近地壳大气主要由H2O，CO2，SO2和在某些情况下的O2和H2组成。对于500K的温度，只有富N2或富CH4的气氛仍然存在。3500K时，大气主要由原子（O、Na、Mg、Fe）、金属氧化物（SiO、NaO、MgO、CaO、AlO、FeO）和部分金属氢氧化物（KOH、NaOH）组成。包含页硅酸盐作为潜在的凝聚物质对于较低温度是至关重要的，因为它们可以在低于约700 K的温度下从气相中除去水并抑制液态水的存在。原则上，对大气成分的测量可以确定系外行星地壳的岩石成分。H2O、O2和CH4是不同种类岩石有时间达到平衡的天然产物。这些被讨论为生物标志物，但确实是地壳和大气之间热力学相互作用的结果。只有同时检测到所有三种分子才可能是足够的生物特征，因为它与化学平衡不一致。
2020-03-07 astro-ph.EP
Mass-Radius Relation for Rocky Planets based on PREM
现在已知有几颗小而致密的系外行星，可以与地球和金星进行比较。这种比较需要将它们的质量和大小转换为演化的多层内部行星的组成模型。这种理论模型依赖于我们对地球内部的理解，以及独立推导的状态方程（EOS），但迄今为止还没有涉及直接从地球的地震模型（PREM）外推。为了便于更详细地比较小的系外行星和地球之间的成分，我们在这里推导出一个半经验的质量半径关系的两层岩石行星的基础上PREM：${\frac{R}{R_\oplus}} = (1.07-0.21\cdot \text{CMF})\cdot (\frac{M}{M_\oplus})^{1/3.7}$，其中CMF代表核心质量分数。适用于1 $\sim$ 8 M $_{\oplus}$和0.0 $\sim$ 0.4的CMF。将这个公式应用于地球和金星以及几个已知的半径和质量测量精度优于$\sim$ 30\%的小型系外行星，给出了$0.26\pm0.07$的CMF拟合。
2016-02-04 astro-ph.EP
Ground-based optical transmission spectroscopy of the small, rocky exoplanet GJ 1132b
类地太阳系行星要么有高平均分子量的大气层，如金星、火星和地球，要么根本没有大气层，如水星。我们没有足够的观测信息来知道这是典型的类地行星还是太阳系特有的现象。大部分大气系外行星的研究都集中在热彗星和海王星上，但最近发现的小型岩石系外行星过境小型，附近的恒星提供了适合大气研究的目标。GJ 1132 b的半径是地球半径的1.2倍，质量是地球质量的1.6倍，轨道距离太阳系12秒差距。我们目前的结果，从五个过境的GJ 1132b采取的麦哲伦粘土望远镜和LDSS 3C多目标摄谱仪。我们共同拟合我们的五个数据集时，确定最适合的传输参数的白光曲线和波长分箱光曲线。我们将光变曲线分入20 nm波长带以构建透射光谱。我们的研究结果不赞成在3.7 sigma置信度下的10倍太阳金属丰度大气和在3.5 sigma置信度下的10%H2O，90%H2大气。我们的数据与无特征光谱一致，这意味着GJ 1132b具有高平均分子量大气或根本没有大气，尽管我们没有考虑可能存在的气溶胶。这一结果与理论工作相一致，理论工作认为GJ 1132b的质量和日射量不应该能够保持H2包层。
2018-05-18 astro-ph.EP
Detecting Earth-like Biosignatures on Rocky Exoplanets around Nearby Stars with Ground-based Extremely Large Telescopes
当我们开始通过TESS和CHEOPS等任务在附近恒星的宜居带中发现岩石行星时，我们将需要在仪器和观测技术方面取得快速进展，这将使我们能够回答关键的科学问题，例如宜居带岩石行星的大气特征是什么？在岩石行星中，类似地球的生物特征有多普遍？这些行星与地球有多相似或不同？在接下来的十年里，我们预计会发现几个类似地球的候选者，但我们将没有工具来详细研究所有这些候选者的大气层。地面ELT可以识别这些候选系外地球光谱中的生物特征，并了解行星的大气在不同时期与地球的比较。凌日光谱学、高分辨率光谱学和ELT上的反射光直接成像可以在光学到近红外波长处识别M恒星周围的宜居带、岩石行星的多种生物特征。热红外直接成像可以探测AFGK恒星周围的宜居带、岩石行星，识别臭氧，并激发美国宇航局HabEx/LUVOIR等任务的反射光后续观测。因此，我们建议Astro 2020十年调查委员会支持：（1）在附近恒星周围的岩石行星上寻找类似地球的生物特征，作为一个关键的科学案例;（2）在未来十年内建造地基极大望远镜（ELT），这将提供大孔径和空间分辨率，以开始揭示附近恒星周围类似地球的大气层;（3）开发优化生物特征检测的仪器;（4）生成潜在生物特征气体的准确行列表，需要这些列表作为检测这些分子的模型模板。
2019-03-22 astro-ph.EP
Magnetic Fields in Earth-like Exoplanets and Implications for Habitability around M-dwarfs
我们使用Olson & Christiansen（2006）标度律并假设其内部结构与地球相似，对类地系外行星的偶极磁矩进行了估计。我们发现，快速旋转的行星（其中科里奥利力占主导地位的核心对流）的偶极矩，可能高达约80倍的地球的磁矩，M_地球，至少部分的行星的寿命。对于非常缓慢旋转的行星（惯性力占主导地位），偶极磁矩仅达到~1.5 M_地球。将我们的计算应用于目前确认的岩石系外行星，我们发现CoRoT-7 b，Kepler-10 b和55 Cnc e分别可以维持高达~ 18，15和13 M_Earth的发电机。我们的结果还表明，岩石系外行星的磁矩不仅取决于它们的自转速率，而且还取决于它们的形成历史、热状态、年龄和成分，以及磁场的几何形状。这些结果适用于所有岩石行星，但对于M矮星宜居带中的系外行星的特殊情况具有重要意义。
2011-07-14 astro-ph.EP
Detectability of Surface Biosignatures for Directly-Imaged Rocky Exoplanets
本研究利用HWO仪器噪声模型与一维辐射传输模型，评估了直接成像岩石系外行星表面生物特征的可探测性，发现特定条件下可在千小时内探测到色素与红边，并强调需防范假阳性干扰。
2024-04-24 astro-ph.EP
A compositional link between rocky exoplanets and their host stars
恒星和行星都是从周围的圆盘吸积物质形成的。因为它们是从相同的材料中生长出来的，理论预测它们的成分之间应该有某种关系。在这项研究中，我们寻找岩石系外行星和它们的宿主恒星之间的成分联系。我们从岩石系外行星的质量和半径估算出它们的铁质量分数，并将其与它们的宿主恒星的成分进行比较，我们假设这反映了原行星盘的成分。我们发现这两个量之间存在相关性（但不是1：1的关系），斜率>4，我们认为这是由于行星形成过程。超级地球和超级水星似乎是不同的群体，具有不同的组成，这意味着它们的形成过程存在差异。
2021-10-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
