Three direct imaging epochs could constrain the orbit of Earth 2.0 inside the habitable zone
天基直接成像飞行任务（HabEx、LUVOIR）将观测类太阳恒星宜居带中系外行星的反射光。这些概念飞行任务的最终-但不是唯一的-目标是确定这些行星的特征。了解系外行星的轨道将有两方面的帮助：（i）它的半长轴告诉我们该行星是否可能拥有表面液态水，使其成为优先目标;（ii）预测该行星的未来位置将告诉我们在哪里和何时寻找。HabEx和LUVOIR的科学产量取决于建立行星轨道所需的观测数量，节奏和精度。我们生产模拟观测使用现实的分布为6开普勒轨道参数，试验与Beta和均匀偏心率分布，并占不完美的天体测量（$σ$ = 3.5 mas）和遮蔽由于内部工作角的高对比度成像系统（IWA = 31 mas）。使用马尔可夫链蒙特卡罗方法，我们拟合的轨道参数，并检索其平均精度和准确度的节奏，历元数，和距离目标的函数。给定获取的时间，每张图像提供两个数据：行星相对于其恒星的$x$和$y$位置。基于一个或两个图像的参数检索形式上是欠约束的，但半长轴后可以半解析地获得。对于一颗距离恒星10秒差距、距离恒星1天文单位的行星来说，如果每一张照片至少相隔90天拍摄，那么三个历元将其半长轴限制在$\lesssim$ 5\%以内。
2019-03-14 astro-ph.EP
Theoretical Reflectance Spectra of Earth-Like Planets through Their Evolutions: Impact of Clouds on the Detectability of Oxygen, Water, and Methane with Future Direct Imaging Missions
在不久的将来，将有可能通过反射光谱法，利用拟议的LUVOIR和HabEx任务等未来望远镜，对宜居带内的类地行星进行大气特征分析。虽然以前的研究已经考虑了云对类地行星反射光谱的影响，但考虑到广泛的云特性的分子可探测性以前尚未详细探索。在这项研究中，我们探讨了云的高度和覆盖率对不同地质时期类地行星的反射光谱的影响，并研究了$\mathrm{O_2}$，$\mathrm{H_2O}$和$\mathrm{CH_4}$的可探测性与测试参数的未来任务的概念，LUVOIR，使用以前设计的WFIRST-AFTA的日冕噪声模拟器。考虑到一个类地行星位于5 pc的距离，我们发现，对于拟议的LUVOIR望远镜，探测到$\mathrm{O_2}$ A波段特征，（0.76 $\mathrmμ$ m）将需要大约100、30和10小时，用于为现代地球O $_2$丰度为10%、50%和100%的大气建模的大部分云参数空间，分别特别是，对于现代地球O $_2$丰度的{$\gtrsim 50$ \%}的情况，只要存在具有$\gtrsim 20\%$的全球覆盖的较低高度（$\lesssim 8$ km）的云，就可以用$\lesssim 10$小时的积分时间检测到该特征。然而，对于现代地球$\mathrm{O_2}$丰度的1%的情况，我们模拟的所有云参数将需要100多个小时。
2019-04-01 astro-ph.EP
Simulated Direct Imaging Detection of Water Vapor For Exo-Earths
可居住的行星通常被定义为能够维持表面液态水的类地行星。因此，大气中的水蒸气可以成为可居住性的关键指标。因此，以适居性为主题的系外行星调查强调探测目标的水蒸气特征。最近研究了利用反射光对系外行星直接成像的各种概念飞行任务，包括HabEx和LUVOIR概念。在这里，重要的是要了解如何在反射光直接成像-再加上中等分辨率的光谱学-可以用来检测各种水蒸气量在类地行星大气。为了研究类地系外行星的水蒸气检测，我们在水蒸气柱质量的网格上生成反射光谱，并使用仪器模型来探索在可见光或近红外波长处进行光谱特征检测所需的积分时间。低分辨率的近红外光谱通常是最佳的检测水蒸气在大气中的类地系外行星时，使用反射光直接成像。这适用于干燥或寒冷的类地行星，其大气层中含有相对较少的水蒸气。大气中富含水蒸气，例如行星经历潮湿或失控的温室，可以在可见光波段有效地检测到水蒸气。了解系外行星的大小、温度和相对于宜居带的位置等细节有助于确定大气特征的适当波长范围。总的来说，对类地系外行星的水蒸气探测对于未来的直接成像任务来说是相当可行的。
2019-12-04 astro-ph.EP astro-ph.IM
Effect of multiple scattering on the Transmission spectra and the Polarization phase curves for Earth-like Exoplanets
这是最合适的时间来描述类地系外行星，以检测地球以外的生物特征，因为这样的系外行星将是大预算的任务，如JWST，罗马太空望远镜，HabEx，LUVOIR，TMT，ELT等的主要目标。我们提供了模型的传输光谱的类地系外行星的多重散射的影响。为了这个目的，我们数值求解完整的多次散射辐射转移方程，而不是使用不包括由于散射的漫辐射的Beer-Bouguer-Lambert定律。我们的模型表明，这种漫透射辐射的影响可以是观测上显着的，特别是在云的存在。我们还计算了类地系外行星的反射光谱和偏振相位曲线，同时考虑无云和多云的大气。数值求解了三维矢量辐射转移方程组，通过选择合适的散射相位矩阵，并沿视线方向对圆盘受照部分的局部Stokes矢量进行积分，计算了圆盘积分偏振和圆盘积分偏振的相位曲线。我们提出了全球平均表面反射光谱和相位曲线的影响，因为这些行星的表面特征是已知的显着决定这些观测量的性质。光谱和相位曲线的协同观测将被证明是有用的，在提取更多的信息和减少退化的估计参数的类地系外行星。因此，我们的模型将在推动未来的观测中发挥关键作用。
2023-01-20 astro-ph.EP astro-ph.IM
Follow the Water: Finding Water, Snow and Clouds on Terrestrial Exoplanets with Photometry and Machine Learning
University of Toronto（多伦多大学）；Cornell University（康奈尔大学）
地球上的所有生命都需要水。美国宇航局对水的探索将水与寻找宇宙中的生命联系起来。像JWST这样的望远镜和像HabEx，LUVOIR和Origins这样的任务概念旨在通过光谱来探测岩石系外行星。然而，光谱学仍然是时间密集型的，因此，初始表征对于目标的优先级是至关重要的。在这里，我们研究机器学习作为一种工具，通过三种形式的类地系外行星上的宽带滤波器反射光度通量来评估水的存在：海水，水云和雪;基于具有6个主要表面的寒冷类地行星的53，130个光谱。XGBoost是一种著名的机器学习算法，在S/N $\gtrsim 20$中检测雪或云的存在时达到90%以上的平衡准确度，在S/N $\gtrsim 30$中检测液态海水时达到70%以上的平衡准确度。最后，我们进行模拟贝叶斯分析与马尔可夫链蒙特卡罗与五个过滤器确定，以获得准确的表面成分，以测试检索的可行性。结果表明，使用机器学习从宽带滤波光度法中识别系外行星表面的水，为不同形式的水提供了一个有前途的初始表征工具。计划中的小型和大型望远镜任务可以利用这一点来帮助他们优先考虑时间密集的后续观测目标。
2022-03-08 astro-ph.EP astro-ph.IM cs.LG
Impact of Correlated Noise on the Mass Precision of Earth-analog Planets in Radial Velocity Surveys
描述近地质量行星的质量和轨道对于解释未来直接成像任务的观测结果至关重要（例如，HabEx，LUVOIR）。因此，系外行星科学战略报告（美国国家科学院，工程和医学院2018年）建议进一步研究，以便未来非常精确的径向速度调查可以有助于在发射这些未来成像任务之前发现和/或表征附近恒星宜居带中的近地质量行星。Newman等人（2021）在各种望远镜架构下模拟了这种为期10年的调查，证明它们可以在没有恒星变化的情况下精确测量潜在宜居的地球质量行星的质量。在这里，我们调查恒星的变化对这些模拟中的行星质量测量的信噪比（SNR）的影响。我们发现，由于活动区域的相关噪声对所观察到的质量SNR的影响最大，相对于无变化的情况，SNR降低了$\sim$ 5.5倍-颗粒减少了$\sim$ 3倍，而p模式振荡对所提出的调查策略影响不大。我们发现，在相关噪声的存在下，5厘米秒的$^{-1}$仪器精度提供了10厘米秒的$^{-1}$精度几乎没有改善，突出需要减轻天体物理学的变化。使用我们的噪声模型，将调查延长到15年，质量SNR $>$ 10的地球类似物的数量将增加一倍，并且在10年的调查中，任何围绕恒星$>$ 0.76 M $_{\odot}$的地球类似物都需要增加每颗恒星的观测数量。
2022-04-26 astro-ph.EP astro-ph.IM
High-resolution Spectra and Biosignatures of Earth-like Planets Transiting White Dwarfs
随着对白矮星周围的碎片盘以及拟议中的行星的首次观测，如何描述这些恒星残骸周围的岩石行星并探测生命迹象的问题变得切实可行。白矮星的大小与地球相似，在初始冷却后的数十亿年内具有相对稳定的环境，使它们成为系外行星搜索和类地行星大气特征描述的有趣目标。它们的小尺寸和由此产生的大行星凌日信号允许下一代望远镜观测这些岩石行星的大气层，如果它们存在的话。我们对绕白矮星运行的行星在6，000 - 4，000 K冷却时的高分辨率透射光谱进行了建模，因为i）行星接受与现代地球相当的辐射，以及ii）行星在冷却的白矮星周围的距离上绕轨道运行，这允许在宜居带中持续时间最长。所有高分辨率透射光谱将在本研究发表后在线公开，并可用作准备和解释JWST，超大望远镜以及Origins，HabEx和LUVOIR等任务概念即将进行的观测的工具。
2020-01-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Detectability of Molecular Signatures on TRAPPIST-1e through Transmission Spectroscopy Simulated for Future Space-Based Observatories
发现类地行星，地球大小的系外行星，位于其宿主恒星的宜居带（HZ）内，继续以越来越快的速度发生。凌日光谱学有可能探测到来自这些世界的分子特征，提供大气层存在及其化学成分的指示，包括可能指示生物圈的气体。这类环绕M矮星的行星--如TRAPPIST-1 --提供了相对较好的信号，高信噪比，以及频繁的凌日现象。然而，即使有这些优势，在附近M星的HZ中的类地行星的凌日光谱仍然是一个挑战。在这里，我们研究了未来空间观测站进行此类观测的潜力，使用全球气候模型（GCM），光化学模型和辐射转移套件来模拟TRAPPIST-1 e上的现代地球大气边界条件。通过透射光谱在这样的大气中的生物特征的可检测性建模为JWST，LUVOIR，HabEx，和起源。我们表明，对于任何这些天文台，只有CO2将是可检测的3西格玛水平的透射光谱，当云包括在我们的模拟。这是因为云对尺度高度的影响强烈限制了大气中分子的可探测性。为了克服这些困难，空间和地面光谱学之间的协同作用可能至关重要。
2020-07-15 astro-ph.EP
The pale blue dot: using the Planetary Spectrum Generator to simulate signals from hyper realistic exo-Earths
本文利用行星光谱生成器对地球作为系外行星进行超真实辐射模拟，结合噪声模型评估不同天文台探测 O2、O3 和 H2O 的曝光时间需求，为未来宜居世界天文台设计提供依据。
2024-11-19 astro-ph.EP astro-ph.IM
High-resolution Spectra for a Wide Range of Habitable Zone Planets around Sun-like Stars
目前，对宇宙中生命的探索主要集中在类似地球的行星上。然而，我们应该做好准备，不仅在宿主恒星方面，而且在表面环境方面找到多种多样的类地系外行星。覆盖广泛参数空间的适居行星模拟高分辨率光谱对于训练检索工具，优化观测策略和解释即将到来的观测至关重要。ELT、GMT和TMT等地面超大型望远镜，以及Origins、HabEx和LUVOIR等未来的天基任务概念，都被设计成能够表征各种潜在的宜居世界。其中一些望远镜将使用高精度径向速度技术来获得所需的高分辨率光谱（$R\approx100,000$），以确定潜在的宜居系外行星的特征。在这里，我们提出了一个数据库的高分辨率（0.01厘米$^{-1}$）的反射和发射光谱的模拟系外行星具有广泛的表面，接收类似的辐射地球周围的12个不同的宿主恒星从F0到K7。根据表面类型和宿主恒星，我们表现出不同的光谱特征强度，以及整体反射率，排放量，恒星与行星的对比度比类地行星在其宿主恒星的宜居带。考虑到恒星通量和表面的波长相关相互作用，将有助于确定即将到来的可见光和红外光谱观测的最佳目标。我们所有的光谱和模型配置文件都可以在线获得。
2020-07-07 astro-ph.EP
The Importance of UV Capabilities for Identifying Inhabited Exoplanets with Next Generation Space Telescopes
当今地球上最强的可远程探测的生命特征是大气中光合作用产生的氧气（O2）。然而，最近对地球地球化学代用记录的研究表明，除了过去的5亿年外，大气中的O2对远程观测者来说是无法检测到的，因此可能是生命的假阴性。在地球历史中期（20 - 7亿年前，Ga）的很长一段时间内，O2可能存在，但浓度较低，pO 2估计为现今水平的0.1 - 1%。虽然O2在这些低丰度下具有微弱的光谱影响，但与O2处于光化学平衡的O3将在UV Hartley-Huggins波段（~0.25 um）中产生显著的光谱特征，在9.7 um附近的中红外波段中具有较弱的影响。因此，以地球历史为例，很可能存在一类系外行星，其常规生物特征只能在紫外线中识别。在本文中，我们强调了紫外能力的重要性，在未来的空间直接成像望远镜，如HabEx或LUVOIR检测O3的行星上的中间氧化状态的设计。我们还讨论了缓解“假阳性”的策略-即非生物过程产生的O3。更一般地说，这个具体的例子突出了研究地球历史作为了解潜在系外行星生物特征的窗口的广泛意义。
2018-01-09 astro-ph.EP
Atmospheric circulation, chemistry, and infrared spectra of Titan-like exoplanets around different stellar types
随着越来越小、越来越冷的系外行星的发现，必须越来越多地考虑具有朦胧大气层的类地世界。我们太阳系的泰坦是一颗典型的朦胧行星，其大气层可能代表了我们银河系中大量的行星。作为表征这样的世界的一步，我们模拟了类似泰坦的系外行星，但轨道上有三个不同的恒星宿主：G-，K-和M-矮星。我们使用大气环流和光化学模型来探索这些泰坦类行星在不同的恒星光谱下的环流和化学，在所有情况下，假设泰坦类的日射。由于大气霾强烈吸收可见光，较红的辐射伴随着较晚的恒星类型产生更多的等温平流层，在毫巴压力下更强的纬向温度梯度，以及更深更强的纬向风。在所有的情况下，行星的大气层都是强烈的超旋转，但是在更红的星光下，高空的日冕环流圈更弱。碳氢化合物和腈类物质的光化学随恒星光谱而变化，FUV/NUV通量比的变化起着重要作用。我们的研究结果初步表明，在所有三个主机下，柱雾的产生率可能是相似的，这意味着许多不同恒星周围的行星可能具有与土卫六大气相似的特征。最后，我们提出了理论发射光谱。总的来说，我们的研究表明，尽管存在重要和微妙的差异，但类泰坦系外行星的循环和化学对宿主恒星的差异相对不敏感。这些发现可能会进一步探索未来的空间设施，如WFIRST，LUVOIR，HabEx和OST。
2017-12-11 astro-ph.EP
Atmospheric Seasonality as an Exoplanet Biosignature
目前对系外行星生物特征的研究主要集中在生命的静态证据上，例如O2或CH 4等生物气体的存在。然而，预期的类地行星大气的多样性和常规生物特征的假阳性和假阴性的可能性促使探索额外的生命检测策略，包括时变信号。大气成分的季节性变化是地球上的一种生物调制现象，也可能发生在其他地方，因为它是生物圈和时变日照之间相互作用的自然结果。寻找季节性作为生物特征将避免许多关于特定代谢的假设，并提供直接量化生物通量的机会-使我们能够表征，而不是简单地识别系外行星上的生物圈。尽管有这种潜力，但还没有全面的研究季节性作为系外行星的生物特征。在这里，我们提供了一个基础，进一步的研究，通过审查生物和非生物控制的幅度和可检测性的大气CO2，CH 4，O2，和O3在地球上的季节性。我们还考虑了一个有人居住的世界的例子，其中大气的季节性可能是其生物圈最显着的表现。我们表明，生活在一个低O2的行星，如弱含氧的中元古代地球可以指纹O3的季节性变化，揭示在其UV哈特利-哈金斯带。这个例子强调了未来直接成像望远镜任务对紫外能力的需求（例如，LUVOIR/HabEx），并说明了研究时间生物特征对系外行星生命探测/表征的诊断重要性。
2018-06-12 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
Doppler Constraints on Planetary Companions to Nearby Sun-like Stars: An Archival Radial Velocity Survey of Southern Targets for Proposed NASA Direct Imaging Missions
直接成像温带岩石行星轨道附近，太阳类恒星与6米级红外/O/紫外空间望远镜，最近被称为可居住世界天文台，是一个高度优先目标的Astro 2020十年调查。为准备今后的直接成像调查，应彻底审查潜在目标清单，以最大限度地提高效率和科学产出。我们提出了一个档案径向速度数据的分析，从美国宇航局/美国国家科学基金会极高精度径向速度工作组的高优先级目标星的未来直接成像任务（来自HabEx，LUVOIR，和Starshade研究）的南方恒星。对于每颗恒星，我们约束的伴侣质量和周期参数空间，我们已经敏感的基础上的观测基线，采样和精度的档案RV数据的区域。此外，对于一些目标，我们报告了对磁活动周期，旋转周期，先前已知系外行星的改进轨道参数以及需要进一步审查或观测才能确认的新候选行星信号的新估计。我们的研究结果表明，对于其中许多恒星，我们甚至对宜居带中的土星质量行星都不敏感，更不用说较小的行星了，这突出了在发射直接成像任务之前，未来EPRV审查工作的必要性。我们提出的证据表明，候选人温带超级地球系外行星HD 85512 b是最有可能由于恒星的旋转，并报告RV加速度的三角洲帕夫支持存在一个遥远的巨行星先前推断从天体测量。
2023-02-28 astro-ph.EP
Towards the Habitable Worlds Observatory: Retrieval of Reflection Spectra from Evolving Earth Analogues using 1D CNNs
Federal University of Ceará（塞阿拉联邦大学）
针对传统大气反演框架计算量大、难以处理HWO等高维直接成像光谱数据的问题，提出一种1D CNN模型，可快速同时反演多类行星参数与分子丰度，经验证具备物理可解释性与任务级应用潜力。
2026-10-20 astro-ph.EP
Observability of hydrogen-rich exospheres in Earth-like exoplanets
小行星周围存在一个扩展的中性氢外逸层，可以作为其低层大气中存在水的证据，但迄今为止，这种特征尚未在岩石系外行星中被安全地检测到。可以使用莱曼- $α$线的凌日光谱观测行星外逸层，这主要受到线芯中星际介质吸收的限制，以及使用低轨道空间望远镜时来自地日冕的气辉污染。我们的目标是评估中性氢外逸层的类地行星过境附近的M矮星使用莱曼- $α$光谱的可探测性，并提供必要的策略，为未来的观测提供信息。在高层大气中的空间分布提供了一个经验模型的地日冕，我们假设的速度分布的基础上辐射压力的主要驱动程序在塑造外逸层。我们计算在恒星莱曼- $α$线，而在运输中的过量吸收，并使用现实的估计所涉及的观测的不确定性，以确定信号的可观测性。我们发现，在莱曼- $α$的外逸层的类地系外行星过境M矮星半径在0.1和0.6 R之间的信号$_\odot$产生50和600 ppm之间的过量吸收。恒星的Lyman- $α$通量由于星际介质的吸收而随距离呈指数衰减，这是恒星可观测性的主要限制。其他限制与恒星径向速度和仪器设置有关。在距离$\sim$ 15 pc的M矮星中，使用LUVOIR/LUMOS可以观察到Lyman-$α$的过量吸收.对噪声注入数据的分析表明，有可能在20次凌日内探测到一颗类地行星的外逸层。
2018-12-05 astro-ph.EP
