Observations of Exoplanet Atmospheres
对太阳系外行星大气层的详细描述是区分其外层组成的最好希望，也是理解初始组成、化学、动力学和循环以及不平衡过程之间相互作用的唯一希望。近年来，一些领域取得了迅速进展，而另一些领域的发展则较为缓慢和/或受到激烈的争议。这篇文章给出了一个观察者的观点，在下一代观测设施取得相当大的进展之前，对太阳系外行星大气层的当前理解。讨论了过境和直接成像行星的大气过程，包括分子和原子丰度，云的性质，热结构和行星能量收支。在未来，我们可以期待一个持续和加速的新发现流，这将在未来许多年内推动正在进行的系外行星革命。
2015-07-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Photochemistry in hot H2-dominated exoplanet atmospheres
光化学有可能对系外行星的大气成分产生重大影响，从而对大气的辐射转移、热结构和动力学产生影响，特别是在紫外线丰富的恒星环境中。在这里，我们提出了第一个实验室实验模拟的结果，在高温下的富碳系外行星大气中的光化学。用红外光谱和质谱定量监测气相分子组成的演变。我们发现，H2/CO气体组成可以显着改变从热平衡组成时，在温度范围从600 K到1500 K的莱曼α光子照射。二氧化碳和水被认为是由光解引起的主要产物，而甲烷的形成也在较小程度上被观察到。我们发现，光化学效率是强烈相关的温度升高。我们的发现是，在超级太阳C/O=1的环境中，光化学可以有效地产生水，这代表了相对于太阳值C/O比= 0.54的C增强，这对许多系外行星透射光谱的解释具有重要意义。我们还发现在1500 K和莱曼α紫外线辐射下形成有机固体冷凝物，证实了在热木星系外行星大气中形成光化学雾的可能性，与太阳相比，其C/O比增强。
2022-02-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
Transmission strings: a technique for spatially mapping exoplanet atmospheres around their terminators
系外行星透射光谱测量的是在过境期间穿过行星大气层的光的吸收，通常在全球范围内进行评估，导致每个行星大气只有一个光谱。然而，行星大气固有的三维性质，通过热，化学和动力学过程，可以在观测中留下不均匀的结构和性质。在这项工作中，我们设计了一种空间映射传输中的系外行星大气层的技术。我们的方法放松了凌光曲线是由圆形行星掩盖的圆形恒星产生的假设，相反，我们允许行星天空投影形状的灵活性。我们将行星的半径定义为围绕其边缘的角度的单值函数，我们将这个数学对象称为传输串。这些传输字符串参数化的傅立叶级数，这些系列具有可调节的复杂性，产生物理上实际的形状，而被简化为经典的圆形的情况下，这些系列的动机的选择。我们的技术的效用主要是用于高精度的多波长光变曲线，从中可以推断出透射光谱作为围绕行星终结者的角度的函数，从而能够分析系外行星大气中发挥作用的多维物理学。更一般地说，该技术可以应用于任何过境光变曲线，以导出过境物体的形状。我们开发的算法可以作为一个开源软件包使用，称为harmonica。
2022-12-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Haze Formation in Warm H2-rich Exoplanet Atmospheres
未来几年内，新的观测能力将上线，这将为描述系外行星大气层的特征提供机会。然而，许多系外行星的大气层中可能存在云/雾，使光谱特征的振幅减弱。我们使用实验室模拟探索光化学烟雾形成在富含H2的系外行星大气中，在800 K的金属量为100和1000倍的太阳。我们发现，烟雾颗粒产生在两个模拟大气中具有小的颗粒尺寸（20至140 nm）和相对低的生产率（2.4 × 10-5至9.7 × 10-5毫克cm-3小时-1），但颗粒尺寸和生产率是依赖于初始气体混合物和模拟实验中使用的能源。气相质谱显示，在这些大气中发生了复杂的化学过程，并产生了新的气体产物，这些产物可以进一步反应形成更大的分子和固体霾颗粒。两个富氢的大气具有相似的C/O比（~0.5）产生不同的烟雾颗粒大小，烟雾产生速率和气体产物，这表明大气中的元素丰度和它们的结合环境可以显着影响光化学。在我们的初始气体混合物中没有甲烷（CH 4），尽管CH 4通常被认为是产生有机烟雾所必需的。然而，从我们的实验与不同的初始气体混合物的烟雾产生率表明，CH 4既不需要产生有机烟雾，也不需要促进有机烟雾的形成。气体产物的种类和相对产率表明CO和N2在富H2气氛中富集化学反应。
2020-08-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Exoplanet Atmospheres at High Spectral Resolution
系外行星的光谱揭示了塑造其历史并支配其未来的物理，化学和生物过程。然而，观测系外行星光谱是复杂的压倒性眩光，他们的主机恒星。这一章的重点是高分辨率光谱学（HRS; R= 25，000 - 100，000），这有助于解开和分离系外行星的光谱。在高光谱分辨率下，分子特征被分解成一个稠密的森林，其中的单个谱线具有特定分子所特有的模式。对于距离较近的行星，其谱线在行星的轨道上会有很大的多普勒频移，而主星和地球的光谱特征基本上保持静止，使得行星的速度分离。对于移动速度较慢的宽轨道行星，HRS在高对比度成像的帮助下，使用空间分离来分离它们的光谱。系外行星光谱中的谱线是通过将它们与大气建模代码中的高分辨率光谱进行比较来检测的;本质上是系外行星大气的指纹识别形式。它测量行星的轨道速度，并帮助确定其真实质量和轨道倾角。因此，HRS可以探测到过境和非过境行星。由于它对行星谱线的深度、形状和位置的敏感性，它也同时表征了行星的大气层。这些都是由行星的大气成分，结构，云和动力学，包括昼夜风和旋转周期改变。本章详细介绍了HRS技术，突出了其在系外行星探测和表征方面的成功，并总结了未来使用HRS识别附近岩石世界生物标志物的前景，以及巨型系外行星大气中的地图特征。
2018-06-12 astro-ph.EP astro-ph.IM
On the importance of laboratory experiments for interpreting exoplanet observations
Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science（地球与行星实验室，卡内基科学机构）
本文探讨实验室实验在理解系外行星大气和表面组成中的关键作用，通过模拟极端条件和分析气体谱学性质，为未来观测提供重要数据支持。
2026-03-25 astro-ph.EP astro-ph.IM
Optical Properties of Organic Haze Analogues in Water-rich Exoplanet Atmospheres Observable with JWST
针对富水系外行星大气中有机霾光学性质实验数据缺失的问题，测量了有机霾类似物的密度和光学常数（0.4至28.6 μm），并证明其差异对JWST合成光谱有可检测影响，为观测与建模提供了实用程序。
2023-11-28 astro-ph.EP astro-ph.IM
Measurements and predictions of H2 pressure-broadening coefficients of CO2 absorption lines for exoplanet atmosphere studies
Laboratoire de Météorologie Dynamique, IPSL, Sorbonne Université, École Normale Supérieure, Université PSL, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, CNRS（动态气象实验室，IPSL，索邦大学，巴黎高等师范学院，巴黎文理研究大学，巴黎综合理工学院，巴黎理工学院，法国国家科学研究中心）；Université de Tunis, Laboratoire de Spectroscopie et Dynamique Moléculaire, École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Tunis（突尼斯大学，分子光谱与动力学实验室，突尼斯国立工程师学校）；Univ Paris Est Créteil and Université Paris Cité, CNRS, LISA（马恩河谷大学和巴黎西岱大学，法国国家科学研究中心，大气、海洋和陆地环境观测与研究实验室）
本文通过高分辨率傅里叶变换光谱仪测量了二氧化碳nu3带在4.3微米波段的H2压力展宽系数，并利用分子动力学模拟预测了200-1000K温度范围内展宽系数，结果与实验数据一致，误差小于3%。
2026-05-12 astro-ph.EP astro-ph.IM
Exoplanet Atmosphere Retrieval from Multifractal Analysis of Secondary Eclipse Spectra
我们扩展了基于数据的无模型多重分形方法探测系外行星大气。而在主食期间的透射光谱进行了研究，我们分析了发射光谱在二次日食，从而探测大气的边缘。除了系外行星大气的光谱结构，该方法还提供了研究大气流动，潮汐锁定行为和昼夜能量重新分配等现象的信息。该方法使用Spitzer数据证明了系外行星HD189733b。该方法的主要优点是在检测和观测方案中缺乏模型假设。
2021-05-22 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.data-an
Exoplanet atmospheres and demographics in the 2040s
European Southern Observatory（欧洲南方天文台）；Observatoire de Paris（巴黎天文台）；Leiden Observatory（莱顿天文台）；Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics（马普地外物理研究所）；University of Exeter（埃克塞特大学）
2040年代通过直接观测年轻系外行星，利用干涉仪技术获取精确质量与大气数据，多角度研究巨行星形成机制。
2026-01-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
Self-consistent 1D modelling of Jupiter's upper atmosphere as an exoplanet analogue
University of Vienna（维也纳大学）；International Institute for Applied Systems Analysis（国际应用系统分析研究所）
研究人员扩展Kompot模型模拟巨系外行星富氢大气，以木星为基准验证模型，其再现木星高层大气热结构与CH4丰度，为系外行星大气模拟提供基线。
2026-08-06 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
Detecting habitable exoplanet atmospheres with LIFE, the Large Interferometer for Exoplanets
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
研究旨在用大型系外行星干涉仪（LIFE）探测宜居系外行星大气层。通过对比，指出 LIFE 比 NASA 的 HWO 能探测更广泛生物特征及相关环境，可鉴别甲烷等，还能研究 HWO 因空间分辨率有限无法观测的附近岩石系外行星。
2026-07-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
A Temperature and Abundance Retrieval Method for Exoplanet Atmospheres
我们提出了一种新的方法来检索分子丰度和温度廓线从系外行星大气测光和光谱。我们运行了数百万个一维大气模型，以覆盖大范围的允许参数空间，并给出了大气特性的误差轮廓。为了运行这样大量的模型，我们已经开发了一个参数的压力-温度（P-T）配置文件耦合线的辐射转移，流体静力学平衡，能量平衡，以及处方的非平衡分子组成和能量再分配。我们将我们的温度和丰度检索方法应用于两个过境系外行星HD 189733 b和HD 209458 b的大气层，这两个系外行星具有最好的斯皮策和HST观测结果。对于HD 189733 b，我们发现了有效的昼夜能量在大气中的重新分配，以及确认H2O，CO，CH 4和CO2存在的分子丰度限制。对于HD 209458 b，我们确认和限制在平均一维温度分布的日侧热反演。我们还报告了独立的检测H $_2$ O，CO，CH $_4$和CO $_2$的HD 209458 b的昼侧，基于六通道斯皮策测光。我们报告的限制HD 189733 b由于单独的数据集，一些关键的意见是可变的，在不同的数据集在相似的波长。此外，在一个数据集中明显强的二氧化碳吸收在另一个数据集中明显弱。因此，我们必须承认，无论是在能量再分配状态还是在化学丰度方面，大气都极有可能是可变的。
2010-01-04 astro-ph.EP astro-ph.IM
PyATMOS: A Scalable Grid of Hypothetical Planetary Atmospheres
本研究开发了并行化气候建模工具PyATMOS，以现代地球大气为起点模拟多参数下的假设稳态系外行星大气，生成的公开数据集可支撑宜居性评估与相关机器学习研究。
2023-08-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Pyrat Bay 2.0: an Upgraded Framework for Exoplanet Atmosphere Modeling in the JWST Era
Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院空间研究所）；INAF – Osservatorio Astrofisico di Torino（意大利国家天体物理研究所都灵天文台）；Department of Physics, New York University Abu Dhabi（阿布扎比纽约大学物理系）；Center for Astrophysics and Space Science (CASS), New York University Abu Dhabi（阿布扎比纽约大学天体物理学与空间科学中心）；Instituto de Astrofísica de Andalucía - CSIC（安达卢西亚天体物理研究所-西班牙国家研究委员会）
Pyrat Bay 2.0框架新增chemcat等功能，经代码验证后用于气态巨行星大气研究，发现JWST数据可准确恢复大气垂直丰度变化，忽略该变化会导致丰度约束偏差。
2026-08-10 astro-ph.EP astro-ph.IM
Exoplanet atmospheres at high resolution through a modest-size telescope. Fe II in MASCARA-2b and KELT-9b with FIES on the Nordic Optical Telescope
地面上的高分辨率光谱仪为我们提供了一个前所未有的关于太阳系以外行星大气动力学和化学的视角。虽然中型望远镜上有大量稳定和精确的高分辨率摄谱仪，但在大气层跟踪系外行星方面占主导地位的是孔径大于3.5米的天文台的摄谱仪。在这项工作中，我们探讨了潜在的特点外行星大气与FIES，高分辨率摄谱仪在2.56米北欧光学望远镜。我们观察到MASCARA-2 b（也称为KELT-20 b）的两次凌日和KELT-9 b的一次凌日，以寻找原子铁，最近使用大型望远镜在这些超热彗星的大气中发现了中性和电离形式的物质。使用互相关方法，我们在MASCARA-2 b的转变中在$4.5σ$和$4.0σ$水平检测Fe II的信号。我们还在$8.5σ$水平上检测到KELT-9 b转运中的Fe II。虽然我们在MASCARA-2 b的信号中没有发现任何明显的多普勒频移，但我们确实测量到KELT-9 b的特征有适度的蓝移（3-6 km/s），这可能是高速风将Fe II从行星的昼侧输送到夜侧的表现。我们的工作证明了用FIES研究系外行星大气的可行性，可能会利用安装在类似尺寸望远镜上的这种和其他高分辨率光谱仪来解锁大量额外的大气探测。
2022-03-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Five key exoplanet questions answered via the analysis of 25 hot Jupiter atmospheres in eclipse
对系外行星的人口研究是解开其统计特性的关键。到目前为止，推断出的性质主要限于从行星，轨道和恒星参数中提取，例如，开普勒，径向速度，和盖亚数据。最近，越来越多的系外行星大气层被从太空和地面详细观测到。然而，一般来说，这些大气研究都集中在单个行星上，除了几个工作已经通过透射光谱检测到气态行星群体中存在水蒸气和云。在这里，使用一套检索工具，我们分析了25个热彗星的光谱和光度数据，通过日食技术与哈勃和斯皮策太空望远镜获得。通过在整个25颗行星上均匀地应用这些工具，我们提取了过去研究中未获得的热彗星的热结构和化学性质的强劲趋势。随着JWST最近的发射和即将到来的任务Twinkle和Ariel，基于人口的系外行星大气研究，如这里所介绍的，将是了解我们银河系行星特征，形成和演化的关键方法。
2022-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM
Ground-Based Reconnaissance Observations of 21 Exoplanet Atmospheres with the Exoplanet Transmission Spectroscopy Imager
使用ETSI仪器和CMI技术对21颗系外行星大气进行地基透射光谱侦察观测，证实其精度媲美天基观测，显著降低了观测成本，为JWST等后续观测提供了优先级排序。
2025-03-05 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Laboratory studies on the viability of life in H$_2$-dominated exoplanet atmospheres
在下一代空间和地面望远镜能力的推动下，通过大气“生物特征气体”寻找系外行星生命的理论和观测正在加速。最容易观测到的岩石行星大气层是那些以分子氢气为主的大气层，因为H $_2$ -气体的低密度导致了大气层的膨胀。然而，生命承受这种外来环境的能力还没有在这种情况下得到检验。我们证明，单细胞微生物（$\textit{E. coli}$和酵母），通常不栖息H $_2$为主的环境中可以生存和生长在100% H $_2$的气氛。我们还描述了由$\textit{E. coli}$产生的数十种不同气体的惊人多样性，包括许多已经被提出作为潜在生物特征气体的气体（例如，一氧化二氮、氨、甲硫醇、二甲硫、硫化羰和异戊二烯）。这项工作证明了实验室实验的实用性，可以更好地确定哪些类型的外星环境可以容纳某种形式的可能可检测的生命。
2020-05-07 astro-ph.EP astro-ph.IM q-bio.QM
Rapid characterization of exoplanet atmospheres with the Exoplanet Transmission Spectroscopy Imager (ETSI)
本文介绍了系外行星透射光谱成像仪（ETSI），通过结合低分辨率光谱仪与多波段滤光片，利用共径多波段成像技术，仅需中等口径望远镜即可在单次凌星中快速表征系外行星大气，实现近光子极限观测以筛选后续高价值目标。
2025-03-05 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
The Clear Sky Corridor: Insights Towards Aerosol Formation in Exoplanets Using An AI-based Survey of Exoplanet Atmospheres
Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Space Telescope Science Institute（空间望远镜科学研究所）；University of Newcastle（纽卡斯尔大学）
本研究利用基于AI的参数优化器自主运行Eureka管线，处理HST WFC3数据集生成42颗系外行星的透射光谱，发现质量与平衡温度图中存在气溶胶形成受金属丰度驱动的“晴空走廊”新趋势，为JWST未来研究奠定基础。
2024-12-20 astro-ph.EP astro-ph.IM cs.LG
RISTRETTO: a pathfinder instrument for exoplanet atmosphere characterization
我们介绍了ESO VLT的RISTRETTO仪器，这是将SPHERE高对比度设备连接到ESSOVLT光谱仪的原始想法的演变（Lovis等人，2017）。RISTRETTO是一个独立的，AO馈电的光谱仪，被提议作为访客仪器，其目标是首次在反射光中探测附近的系外行星。里斯特雷托的目标是使用高对比度，高分辨率光谱技术来表征Proxima b和其他几颗系外行星的大气层。该仪器由两部分组成：安装在VLT UT 4上的前端，提供两级自适应光学系统，使用具有日冕能力的AOF设施和7光纤IFU，以及在620-840 nm范围内的衍射限制R= 135，000摄谱仪。我们提出的要求和初步设计的仪器。
2020-12-15 astro-ph.IM
Using hydrodynamical simulations of stellar atmospheres for periodogram standardization : application to exoplanet detection
我们的目标是设计一种检测方法的系外行星的签名（多个正弦曲线），这是强大的和强大的部分未知的统计数据下的原假设。在所考虑的应用中，噪声主要是由恒星大气产生的，统计数据取决于几个参数的复杂相互作用。然而，流体动力学（HD）模拟的最新进展表明，天体物理学家可以离线数值模拟真实的恒星噪声。我们提出了一种检测方法，通过HD模拟校准，并分析其性能。理论结果与模拟合成和真实数据的比较表明，该方法是强大的和强大的。
2016-01-27 astro-ph.IM math.ST stat.AP
