Stellar Flares Rather than High $T_{int}$ As Possible Cause for the Missing Methane in Young Exoplanets: The Case Study of V1298~Tau\,b
The University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
该研究以V1298 Tau b为案例，提出年轻系外行星甲烷缺失的原因是恒星耀斑而非高内部温度，通过模拟耀斑诱导的大气稳态，复现了该行星的JWST观测特征。
2026-08-31 astro-ph.EP astro-ph.SR
From cold to hot irradiated gaseous exoplanets: Toward an observation-based classification scheme
碳氧比（C/O）约为1，被认为是表征系外行星大气时水和甲烷占主导地位的光谱的天然分离器。在本文中，我们量化的C/O比，这种分离发生通过计算一个大的自洽网格的无云大气模型的化学平衡，使用最新版本的petitCODE。我们的研究涵盖了广泛的参数空间：400 K $<$ T $_{eff}<$ 2600 K，2.0 $<$ log（g）$<$ 5.0，-1.0 $<$ [Fe/H] $<$ 2.0，0.25 $<$ C/O $<$ 1.25，恒星类型从M到F。我们使合成的透射和发射光谱，以及温度结构公开。我们发现，过渡C/O比取决于许多参数，如有效温度，表面重力，金属丰度和光谱型的主恒星，并可能有值小于，等于或大于1。通过映射所有的过渡C/O比，我们提出了一个“四类”分类方案，在这个温度范围内的辐照行星。我们发现一个参数空间，甲烷始终是占主导地位的光谱特征的原因。CH $_4$在这个区域的检测，或缺乏它，提供了一个诊断工具，以确定云的形成和非平衡化学的流行。作为另一种诊断工具，我们构建合成斯皮策IRAC颜色图显示两个可区分的行星种群。由于大多数系外行星的大气层出现多云时，在传输研究，我们认为这项研究作为一个起点，这样一个C/O敏感的观测为基础的分类方案应该如何构建。这一准备工作将通过未来的多云和非平衡建模来完善，以进一步研究类的存在和确切位置，以及颜色图分析。
2019-01-25 astro-ph.EP
A warm Neptune's methane reveals core mass and vigorous atmospheric mixing
本研究通过JWST NIRSpec观测到温暖海王星WASP-107 b大气中的甲烷等分子，测得甲烷丰度与匮乏程度，约束了其大气金属丰度、内部温度、垂直混合强度，并推断出更高的核心质量，缓解了与核心吸积模型的矛盾。
2024-05-17 astro-ph.EP
A Sub-Neptune Exoplanet with a Low-Metallicity Methane-Depleted Atmosphere and Mie-Scattering Clouds
由于在太阳系中没有类似的行星，数千颗质量和半径介于地球和海王星之间的系外行星的发现是系外行星科学的一大惊喜。这些超级地球和次海王星可能代表了行星形成的最常见结果。质量和半径的测量表明，大体积组成的多样性比气体巨星要大得多;然而，分子吸收的直接光谱检测和对气体混合比的限制在很大程度上仍然局限于比海王星更大的行星。在这里，我们分析了哈勃/斯皮策太空望远镜数据集的12次凌日和20次日食的次海王星GJ 3470 b，其质量为12.6 $M_\oplus$，使其接近以前研究的外海王星（22-23 $M_\oplus$）和已知具有岩石密度的系外行星（7 $M_\oplus$）之间的中点。经过多年的积累，我们的数据集提供了对水吸收（>5 $σ$）的稳健检测和对迄今为止辐射最低的行星的热发射检测。我们揭示了一个低金属含量，氢为主的大气类似于一个气体巨星，但强烈耗尽甲烷气体。低的，接近太阳的金属丰度（O/H=0.2-18）对低质量下潜在的行星形成过程以及随后的固体吸积设置了重要的限制。甲烷丰度低表明甲烷被破坏的效率比以前预测的要高得多，这表明CH $_4$ /CO转换曲线必须重新审视近距离行星。最后，我们还发现在2-3 $μ$米米氏散射特性的云不透明度急剧下降，这使得对云颗粒大小的限制变窄，并使GJ 3470 b成为JWST中红外表征的关键目标。
2019-06-30 astro-ph.EP
Aerosols and Methane in the Ice Giant Atmospheres Inferred from Spatially Resolved, Near-Infrared Spectra: I. Uranus, 2001-2007
我们提出了一个辐射转移分析的纬度分辨H（1.487 - 1.783微米）和K（2.028 - 2.364微米）波段光谱的天王星，从中我们推断气溶胶和甲烷在行星的大气中的分布。数据是在2001年、2002年、2004年、2005年和2007年使用200英寸（5.1米）海尔望远镜和帕洛玛高角分辨率观测器（PHARO）近红外自适应光学（AO）相机系统（Hayward，2001年）获得的。观测采样范围为天王星盘上南纬80度至北纬60度之间的纬度。在每个纬度，气溶胶的垂直分布反演使用自定义的非线性约束算法。需要两层气溶胶才能与观测结果相匹配：一层薄薄的上层在100毫巴的对流层顶下方达到峰值，一层下层云在1.9巴左右。气溶胶的垂直变化被解释在概念环流模型的背景下，而时间的变化表明潜在的季节性影响。我们推断2001年至2007年期间南半球气溶胶散射光学厚度显着减少，与使用不同数据和检索算法（例如，Irwin等人，2009，2010，2012; Sromovsky等人，2009年）。数据的最佳拟合与提出的甲烷极地耗竭模型一致（例如，Karkoschka和Tomasko，2011年）。最后，从2007年的离散云分析的背景下，简单的包裹理论，识别可能的形成机制的目标。离散高云的低散射光学厚度是一致的形成与涡和浅升力，而不是深对流。
2017-10-26 astro-ph.EP
Retrievals on NIRCam transmission and emission spectra of HD 189733b with PLATON 6, a GPU code for the JWST era
本研究利用升级版GPU代码PLATON 6反演系外行星HD 189733b的JWST/NIRCam透射与发射光谱，测得大气金属丰度与碳氧比，检测到多种分子并证实甲烷耗竭的光化学成因，同时介绍了PLATON 6的多项新功能。
2024-10-29 astro-ph.EP astro-ph.IM
Warm Ice Giant GJ 3470b. I. A Flat Transmission Spectrum Indicates a Hazy, Low-methane, and/or Metal-rich Atmosphere
我们报告了我们对凌日冰巨星GJ 3470 b大气传输的光谱研究，以及新的凯克/MOSFIRE光谱仪对太阳系外行星观测的第一个结果。我们在2.09-2.36微米的带通和这个波长范围内的六个较窄的波段中测量了RP/Rs = 0.0789 +/- 0.0020的行星/恒星半径比。当与现有的宽带测光相结合时，这些测量排除了化学平衡中的无云大气，假设太阳丰度（5.4 sigma置信度）或中等水平的金属富集（50倍太阳丰度，3.8 sigma），证实了以前的结果，即这些模型不代表冷，低质量，外部照射的太阳系外行星。目前的测量结果与平坦的透射光谱相一致，这表明大气层是由高海拔的云和薄雾，不平衡的化学，意想不到的丰度模式，或大气层是非常丰富的金属（> 200倍太阳）。由于GJ 3470 b的低体积密度设定了行星大气富集度的上限<300倍太阳能，因此大气平均分子量必须<9。因此，如果大气层是无云的，其光谱特征应该是可检测的未来观测。较短波长的凌日观测将为区分各种可能的情况提供最佳机会。我们获得了光谱与GMOS摄谱仪，但这些观测表现出很大的系统不确定性，由于薄，持久的卷云条件。最后，我们还提供了第一个详细的步骤，必要的校准MOSFIRE观测，并提供建议，为未来的观测与该仪器。
2013-08-29 astro-ph.EP
From cold to hot irradiated gaseous exoplanets: Fingerprints of chemical disequilibrium in atmospheric spectra
几乎所有的行星大气都受到不平衡化学过程的影响。本文介绍了我们最近发展的化学动力学模型（\texttt{ChemKM}）。我们发现，我们的HD 189733 b模型的结果是在良好的协议与以前发表的结果，除了在$μ$酒吧制度，分子扩散和光化学是占主导地位的过程。因此，我们建议在需要大气层顶部的丰度时仔细考虑这些过程。我们还提出了一个新的度量淬火水平的定量测量。通过应用这个度量，我们发现淬火压力随着行星的有效温度而降低，但它也随着其他大气参数如[Fe/H]，log（g）和C/O而显着变化。此外，我们发现，“甲烷谷”，一个区域之间的800和1500 K，高于一定的C/O阈值的CH $_4$检测的机会更大的预期，仍然存在后，包括垂直混合。第一个强大的CH $_4$检测辐照行星（HD 102195 b）的地方，这个对象在这个区域内，支持我们的预测。我们还研究了JWST的不平衡光谱指纹的可探测性，并建议重点关注T $_{eff}$在1000和1800 K之间的目标，围绕M-矮星，具有低表面重力，但高金属丰度和C/O比值约为1。最后，构建斯皮策彩色地图表明，主要的两个颜色种群在很大程度上是不敏感的垂直混合。因此，观测点与这些总体的任何偏差都可能是由于云的存在，而不是不平衡过程。然而，一些具有非常低的C/O比（$<$ 0.25）的冷行星（T $_{eff}<$ 900 K）显示出显着的偏差，使这些行…
2019-08-26 astro-ph.EP
Retrieving Neptune's aerosol properties from Keck OSIRIS observations. I. Dark regions
我们提出并分析了海王星的三维数据立方体从OSIRIS积分场摄谱仪上的10米凯克望远镜，从2009年7月。这些数据的空间分辨率为0.035”/像素，H和K宽波段的光谱分辨率为R~3800。我们的分析集中在海王星大气层的近红外暗区，也就是说，没有离散的亮云特征。我们使用一个前向模型耦合到马尔可夫链蒙特卡罗算法来检索海王星的气溶胶结构和甲烷剖面以上的近红外暗区的属性。利用一组2- 12 N无云波段的高信噪比光谱，我们发现海王星云的不透明度主要是由一个紧凑的，光学厚的云层，其底部接近3 bar，由低散射，前向散射粒子组成，假设特征尺寸为~1 $μ$ m。在这个云之上，我们需要一个垂直延伸的较小（~0.1 $μ$ m）颗粒的薄雾，它从对流层上部（~0.6 bar）到达平流层。雾中的粒子比深云中的粒子更亮，散射更均匀。当我们将我们的分析扩展到从20 N到87 S的18个无云位置时，我们观察到，在中纬度和高纬度，相对于低纬度，气溶胶中0.5 bar以上的光学厚度减少了2-3倍或更多。我们还考虑海王星的甲烷（CH $_4$）的配置文件，并发现我们的检索表明一个强烈的偏好低甲烷相对湿度的压力，预计甲烷冷凝。我们在大多数地点的首选解决方案是对流层顶附近甲烷相对湿度低于10%，此外甲烷消耗降至2.0-2.5 bar。我们初步确定了低CH $_4$柱高于2.5巴的趋势，在中纬度和高纬度的低纬度地区。
2017-06-15 astro-ph.EP
Unusually Hot Interiors Could Reconcile the Missing Methane Problem for Warm-to-Hot Exoplanets with Hydrogen Atmospheres
University of Texas at San Antonio（德克萨斯大学圣安东尼奥分校）；Southwest Research Institute（西南研究所）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本文提出一个基于地质化学的框架，探讨高内部温度能否解释系外行星中甲烷的缺失，利用大气化学分析揭示行星内部热力学状态与大气成分的关系。
2026-04-02 astro-ph.EP
The methane distribution and polar brightening on Uranus based on HST/STIS, Keck/NIRC2, and IRTF/SpeX observations through 2015
2015年对天王星的HST/STIS观测表明，对流层上部甲烷的消耗相对稳定，由于气溶胶散射增加，极地地区一直在变亮。这种解释证实了近红外成像从HST和凯克望远镜使用NIRC 2自适应光学成像。我们对2015年光谱以及2012年之前光谱的分析表明，在30°N和70°N之间，对流层上层甲烷有效混合比减少了三分之一。深层甲烷混合比的绝对值可能不随纬度变化，低于我们以前的估计，并显著依赖于我们假设的气溶胶模型的风格，范围从一个简单的Henyey-Greenstein相函数保守的非球形粒子的3.5 $\pm$ 0.5%的高到保守的球形粒子的2.7% $\pm$ 0.3%的低。我们先前较高的估计值4 $\pm$ 0.5%是由于与Lindal等人（1987，JGR 92，14987-15001）的掩星结果强制一致。该要求在我们的新分析中被放弃，因为Orton等人（2014，Icarus 243，494-513）和Lellouch等人（2015，Astron. & AstroPhys. 579，A121）对掩星结果提出了质疑。对于我们的模型中的主要云层，我们发现，大颗粒和小颗粒的解决方案是可能的球形颗粒模型。在低纬度地区，小颗粒溶液的平均颗粒半径接近0.3 $μ$ m，实折射率接近1.65，总柱质量为0.03 mg/cm $^2$，而大颗粒溶液的颗粒半径接近1.5 $μ$ m，实折射率接近1.24…
2018-06-15 astro-ph.EP
Beyond Equilibrium Temperature: How the Atmosphere/Interior Connection Affects the Onset of Methane, Ammonia, and Clouds in Warm Transiting Giant Planets
凌日巨行星的大气压力-温度剖面跨越一系列化学转变。在这里，我们表明，这些辐射的配置文件低于1300 K的温暖的巨行星的特殊形状导致显着的差异，在非平衡化学行为相比，类似温度的褐矮星。我们特别关注木星和海王星类行星中的H $_2$ O、CO、CH $_4$、CO $_2$和NH $_3$。我们展示了一颗行星的冷却历史，这主要取决于行星的质量和年龄，可以对可见大气中的丰度产生主导影响，通常会淹没人们可能仅基于Teq的趋势。对于某些行星来说，光谱中可检测到的CH $_4$的出现可以延迟到较低的Teq，或者被推到较高的Teq。NH $_3$的可探测性通常比平衡预期的要高，这与褐矮星的情况相反。我们发现，CH $_4$和NH $_3$都可以在相同的Teq（Teq值随质量和金属丰度而变化）下被检测到，而这些“起始”温度对于棕矮星来说间隔很广。我们建议观测策略，以寻找大气的趋势，并强调，非平衡化学和云可以作为大气物理学的探针。作为大气复杂性的例子，我们评估了三颗海王星类行星GJ 436 b，GJ 3470 b和WASP-107，它们都在Teq=700 K附近。三颗行星的偏心阻尼导致的潮汐加热将深层大气加热数千度，这可能解释了这些冷大气中CH $_4$的缺乏。必须根据地球的物理特征来解释大气丰度。
2020-10-30 astro-ph.EP
JWST color sequence of transiting exoplanets and directly imaged substellar objects
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；University of California, Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；JHU Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）
本研究利用JWST等数据构建统一色-星等图序列，揭示凌日行星与亚恒星天体的大气化学差异，发现重力而非辐照主导甲烷特征，为检验大气模型提供了统一图谱。
2026-08-27 astro-ph.EP astro-ph.SR
A self-consistent cloud model for brown dwarfs and young giant exoplanets: comparison with photometric and spectroscopic observations
我们为褐矮星和年轻的巨型系外行星开发了一个简单的，物理的和自洽的云模型。我们比较了不同的云粒子大小的参数化，无论是固定粒子半径，或固定的混合效率（参数fsed）或估计粒子半径从简单的微观物理。云方案与简单的微观物理似乎是最好的parametrisation成功地再现观测到的光度和光谱的棕矮星和年轻的巨大的系外行星。特别是，它再现了L-T转换，由于硅酸盐和铁云在可见光/近红外光球下的凝结。它还再现了低重力物体观测到的红化现象，这是由于低重力时云的光学深度增加。此外，我们发现云的温室效应改变了化学平衡，增加了在高温下稳定的物种的丰度。这种效应应该大大有助于甲烷丰度在L-T过渡的强烈变化，并在年轻的系外行星上观察到的甲烷耗尽。最后，我们预测了一个连续的棕矮星和系外行星的存在，绝对J星等=15-18和J-K色=0-3，由于L-T转变与重力的演变。因此，这种自洽的模式提供了一个总体框架，以了解云的影响，似乎非常适合大气反演。
2017-11-30 astro-ph.EP
The Volatile Inventory of 3I/ATLAS as seen with JWST/MIRI
California Institute of Technology（加州理工学院）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；Eureka Scientific（尤里卡科学）；Auburn University（奥本大学）；Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）
通过JWST/MIRI观测3I/ATLAS，首次在中红外波长下表征星际天体的光谱特征，发现水、二氧化碳和甲烷等挥发物，揭示其挥发物释放率变化及混合比异常。
2026-04-09 astro-ph.EP astro-ph.GA
Grid of pseudo-2D chemistry models for tidally locked exoplanets -- II. The role of photochemistry
光化学预计将通过甲烷和氨等物质的解离以及氰化氢等其他物质的缔合来改变受辐照系外行星上层大气的化学成分。虽然主要是高海拔的白天一侧应该受到光化学的影响，目前还不清楚动力学过程如何在整个大气中传输光化学物质，以及这些化学不平衡效应如何与不同的参数成比例。在这项工作中，我们调查光化学的影响，在一个二维的背景下，通过合成一个网格的光化学模型在很大的温度范围。我们发现，光化学可以强烈地改变大气成分，甚至在凉爽的系外行星中达到几个酒吧的深度。我们进一步确定了一个甜蜜点的光化学生产的氰化氢和乙炔，两个重要的烟雾前体，有效温度之间的800和1400 K。大多数冷行星（有效温度<1800 K）的夜面被证明是光化学产物的宿主，通过水平平流从昼面输送。合成透射光谱只受到光化学的轻微影响，但我们建议，探测更高海拔的观测研究，如高分辨率光谱，考虑到光化学。
2022-03-21 astro-ph.EP
High C/O Ratio and Weak Thermal Inversion in the Very Hot Atmosphere of Exoplanet WASP-12b
行星中的碳氧比（C/O）提供了有关其原始起源和随后演化的关键信息。原始C/O大于0.8会导致内部以碳化物为主，而不是地球上以硅酸盐为主，大气层也可能与太阳系不同。太阳能C/O为0.54。在这里，我们报告了一个分析的昼侧多波长测光的过境热木星WASP-12 b，揭示了C/O >= 1在其大气中。大气中含有丰富的CO。与预期温度下的太阳丰度化学平衡模型相比，大气中的水蒸气减少，甲烷增加了两个数量级以上。我们还发现，WASP-12 b的极端辐照大气（T > 2，500 K）缺乏显著的逆温或平流层，并且具有非常有效的昼夜能量循环。缺乏强烈的热逆与理论预测的最高辐射热木星大气形成鲜明对比。
2010-12-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
A ground-based near-infrared emission spectrum of the exoplanet HD 189733b
使用红外光谱探测分子探测系外行星大气的条件和组成。水（H2O），甲烷（CH 4），二氧化碳（CO2），和一氧化碳（CO）已被检测到在两个热蒸馏器。这些先前的结果依赖于不提供2.4 - 5.2微米光谱区域的光谱能力的天基望远镜。在这里，我们报告了HD 189733 b在2.0-2.4微米和3.1-4.1微米之间的昼侧发射光谱的地面观测结果，在那里我们发现了明亮的发射特征。在与天基仪器重叠的地方，我们的结果与以前的测量结果非常一致。在~3.25微米处的特征是出乎意料的，并且难以用假设在通常通过红外测量采样的1巴至1 × 10-6巴压力下的局部热力学平衡（LTE）条件的模型来解释。对这一特征最可能的解释是，它来自甲烷的非LTE排放，类似于我们自己的太阳系行星大气中所看到的。这些结果表明，在解释强辐射系外行星的测量结果时，可能需要考虑非LTE效应。
2010-02-12 astro-ph.EP
Vertical shear instability in two-moment radiation-hydrodynamical simulations of irradiated protoplanetary disks I. Angular momentum transport and turbulent heating
本研究通过高分辨率双矩辐射流体动力学模拟，发现小颗粒耗尽时垂直剪切不稳定性（VSI）在盘表面运作而中面受抑，其角动量混合主要为轴对称，且湍流加热导致的温度升高极其微小。
2023-12-11 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
Distinguishing oceans of water from magma on mini-Neptune K2-18b
本文针对K2-18b观测与气候模拟的矛盾，提出岩浆海洋模型解释其大气CO2存在和NH3耗尽的成因，并指出更深的>4μm光谱观测可区分液态水海洋与岩浆海洋。
2024-02-21 astro-ph.EP
Impact of Cosmic Rays on Atmospheric Ion Chemistry and Spectral Transmission Features of TRAPPIST-1e
本研究利用INCREASE模型模拟六种情景，考察卡林顿型恒星高能粒子事件对TRAPPIST-1e电离、化学和凌星光谱的影响，指出解释臭氧、甲烷等生物特征时必须考虑高能粒子效应。
2023-11-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Ice Giant Circulation Patterns: Implications for Atmospheric Probes
从多光谱遥感得到的大气环流模式可以作为未来现场探测任务选择合适进入点的指南。自20世纪80年代旅行者2号飞越以来，地面和太空观测站30年的观测已经产生了一幅冰巨人环流的图片，这是复杂的，令人困惑的，完全不同于在气体巨人上看到的。本次审查旨在调和各种竞争的环流模式从观测的角度来看，占空间分辨测量：纬向对流对比度和带状外观;云跟踪纬向风;温度和para-H $_2$测量以上的冷凝云;和赤道到极点的对比，在对流层较深的可冷凝挥发物（甲烷和硫化氢）。这些观测确定了三个不同的纬度域：赤道域的深层上升流和对流层上部沉降，可能以逆行纬向急流的峰值为界，类似于木星气旋带;中纬度过渡域的对流层上部上升流，强烈的云活动，类似于木星反气旋带;和一个强烈的下沉，挥发性耗尽，和小规模（和潜在的季节性变化）对流活动的极地域。综合考虑，多波长观测结果表明，存在一种层叠的环流单元（至少两个在对流层，一个在平流层）的分层结构，这些环流单元可能在垂直方向上被（一）与云凝结有关的强分子量梯度，以及（二）从深层热直接环流制度向高空波驱动环流制度的过渡所分隔。在未来十年中，可以通过3D模拟和未来世界级设施的观测来测试推断的环流。[删节]
2020-02-17 astro-ph.EP
