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
Maps and Masses of Transiting Exoplanets: Towards New Insights into Atmospheric and Interior Properties of Planets
在过去的二十年里，太阳系外发现了超过1800颗行星，系外行星学领域拓宽了我们对行星系的看法。研究重点现在正从行星探测转向行星特征描述。在这方面，凌日系外行星由于其轨道配置提供的丰富数据而特别令人感兴趣。在这里，我介绍两种方法来获得新的见解大气和内部性质的系外行星。第一种方法的目标是根据被其宿主恒星遮蔽时获得的扫描来绘制系外行星的大气层。我介绍了日食映射的基础知识，它的警告，以及通过全球分析（包括凌日，相位曲线和径向速度测量）减轻其影响的框架。我使用这种方法分别为热彗星HD 189733 b和开普勒-7b创建了第一张2D地图和第一张系外行星云图。最终，温度、成分和环流模式可以在3D中受到限制，这是为大气模型提供信息的重要资产。第二种方法，MassSpec，旨在确定过境行星的质量和大气特性，仅从透射光谱。确定系外行星的质量是了解其基本性质的关键，包括其支持生命的潜力。到目前为止，系外行星的质量限制主要基于径向速度测量，这不适用于质量较低，半长轴较大或围绕微弱或活跃恒星运行的行星。我证明了一个行星的质量必须占大气检索方法，以避免偏见，JWST可以确定其主机的宜居带在其一生中，这可能会导致第一次确定一个宜居系外行星的质量和大气特性的半打地球大小的行星。
2015-09-04 astro-ph.EP
HyDRo: Atmospheric Retrieval of Rocky Exoplanets in Thermal Emission
发射光谱是一种很有前途的技术，可以用来观察岩石系外行星的大气，探测它们的化学和热分布。我们提出了HyDRO，大气检索框架的岩石系外行星的热发射光谱。HyDro不对背景大气成分进行预先假设，因此可以用于解释成分未知的次级大气的光谱。我们使用HyDro来评估可以使用JWST放置在岩石系外行星大气层上的化学约束。首先，我们确定了目前已知的最好的岩石系外行星候选者的热辐射光谱观测与JWST，发现超过30个已知的岩石系外行星的热辐射将被JWST/MIRI检测到在不到10个日食在R~10。然后，我们考虑在~400-800 K平衡温度范围内观测三颗有希望的岩石系外行星的大气层所需的观测结果：Trappist-1 b，GJ 1132 b和LHS 3844 b。考虑到一系列富CO_2-H_2O的大气成分，我们发现只要有8次LHS 3844 b或GJ 1132 b与MIRI的食就能对它们的大气化学成分产生重要的制约。这包括在无云的富CO_2成分的情况下对CO_2和H_2O的可靠探测，除了排除裸露岩石的情况。同样地，用MIRI/LRS观测Trappist-1b的30次日食，可以探测到无云的富CO_2或CO_2-H_2O大气。HyDro将允许使用JWST观测岩石系外行星的重要大气约束，提供有关其地球化学环境的线索。
2021-12-09 astro-ph.EP
Understanding Exoplanet Atmospheres with UV Observations II: The Far UV and Atmospheric Escape
未来十年，系外行星大气分析的重点将是红外波长，计划发射詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）和宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）。然而，如果不将其置于更广泛的波长覆盖范围内，特别是在光学和紫外线方面，红外线观测产生的系外行星大气层图像并不完整。在蓝色光学和近紫外（NUV）观测中编码的散射信息可以帮助确定在红外线中观察到的静音光谱特征是由于朦胧/多云的大气，还是具有较高平均分子量的清晰大气。进一步进入紫外线，观测可以识别大气逃逸和系外行星大气的质量损失，从而更好地了解系外行星的大气演变，以及来自云层上方的成分信息。在本白皮书中，我们重点介绍了远紫外（FUV）系外行星观测的科学案例;由Jessie Christiansen领导的附带白皮书将重点介绍近紫外（NUV）和蓝色/光学的科学案例。
2019-03-26 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
The Impending Opacity Challenge in Exoplanet Atmospheric Characterization
随着新一代天文台在本十年内上线，表征系外行星大气的过程将需要重新发明。目前主要是在仪器方面，表征瓶颈将很快站在用于将光谱转换为大气特性的模型。我们的恒星和大气模型的局限性已经得到了强调。在这里，我们表明，目前用于解码系外行星光谱的不透明度模型的局限性传播到约0.5-1.0 dex的精度墙（即，3到10倍）的大气特性，这是一个数量级以上的精度目标由JWST周期1计划和所需的，例如，有意义的C/O比约束和生物特征识别。我们使用九种不同的不透明度模型进行敏感性分析，发现大多数的检索产生和谐的配合，由于补偿的形式>5 $σ$偏差的推导出的大气参数翻译在上述精度墙。我们提出了一个两层的方法来缓解这个问题，涉及一个新的检索程序和指导改进不透明的数据，其标准化和最佳传播。
2022-09-15 astro-ph.EP
EUV influences on exoplanet atmospheric stability and evolution
单靠行星的有效地面温度不足以描述系外行星的大气层及其稳定性或演化。将恒星-行星系统作为一个整体来考虑是必要的，该系统的一个关键组成部分是光致电离恒星极紫外辐射（EUV; 100-912 nm）。EUV光子通过热和非热过程驱动大气质量损失，并且精确计算行星能量预算中的EUV能量沉积是必不可少的，特别是对于陆地宜居带行星和近距离气态行星。对系外行星的主星进行直接的极紫外观测将需要一个新的专门观测站。仅凭$\textit{EUVE}$卫星的档案观测、模型和理论，不足以准确描述大多数系外行星宿主恒星的EUV光谱，尤其是低质量恒星。
2019-03-13 astro-ph.EP
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
Interpreting the atmospheric composition of exoplanets: sensitivity to planet formation assumptions
根据系外行星的大气成分限制行星形成是系外行星界的一个基本目标。现有的研究通常试图限制大气丰度，或者分析给定的行星形成描述预测的丰度模式。然而，也有迫切需要开发的方法，研究如何将大气成分转化为行星形成的推论。在这项研究中，我们总结了最先进的行星形成模型的复杂性和不确定性，以及它们如何影响行星大气成分。我们介绍了一种方法，探讨了不同的形成模型的假设解释大气成分时的效果。我们将这个框架应用于直接成像的行星HR 8799e。根据它的大气成分，这颗行星可能在形成过程中发生了显著的迁移。我们表明，包括化学演化的原行星盘导致迁移的需要减少。此外，我们发现卵石吸积可以重现行星的组成，但我们的一些测试设置导致大气金属丰度过低，即使考虑到蒸发卵石可能会丰富磁盘气体。我们的结论是，对于一个给定的行星，从大气丰度到行星形成的确定性反演可能具有挑战性，但对不同形成模型的影响的定性理解是可能的，为新的研究开辟了途径。
2022-04-28 astro-ph.EP
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
Atmospheric mass loss and evolution of short-period exoplanets: the examples of CoRoT-7b and Kepler-10b
短周期系外行星在演化过程中可能会失去包层质量，因为它们的宿主恒星强烈的XUV辐射会导致大气逃逸。建立了一个大气质量损失计算和行星热演化计算相结合的模型，模拟了行星的演化过程，并探讨了行星形成历史对行星演化的影响。热大气逃逸以及罗氏瓣溢出有助于质量损失。最大初始行星模型质量主要取决于恒星XUV光度的假设演化模型。我们将模型应用于CoRoT-7 b和Kepler-10 b，以探索这两颗行星的演化以及这些行星的最大初始质量。我们考虑了最近对CoRoT-7的X射线观测，探讨了不同XUV演化模型对行星初始质量的影响。我们的计算表明，这两个热的超级地球可能是木星质量气体行星的残留物。
2013-06-05 astro-ph.EP
Exoplanet Interior Retrievals: core masses and metallicities from atmospheric abundances
提出基于最先进内部代码和贝叶斯框架的系外行星内部反演方法，利用质量、半径、平衡温度和大气金属丰度反演整体金属丰度和核质量，并应用于37颗JWST前巨行星样本。
2023-06-20 astro-ph.EP
A Review of Exoplanetary Biosignatures
我们回顾了该领域的系外行星的生物特征，主要集中在大气气相物种。由于缺乏类地行星大气的数据，一种常见的方法是从太阳系和早期地球的知识推断类地系外行星。因此，我们审查的主要过程（如大气光化学和传输）影响最常见的考虑物种（如O2，O3，N2O，CH4等）。在现代地球、早期地球、太阳系和类地系外行星的背景下。因此，我们认为这些物种在太阳系和更远的已知非生物来源。我们还讨论了与大气生物特征谱相关的可探测性问题，如谱带强度和独特性。最后，我们总结了当前航天局的路线图相关的生物特征科学在系外行星的背景下。
2017-10-11 astro-ph.EP
Atmospheric dynamics of terrestrial exoplanets over a wide range of orbital and atmospheric parameters
最近发现的类地系外行星和超级地球的轨道和物理参数范围很广，这表明这些行星将跨越各种气候状态。对温暖的超级地球大气层的表征已经开始，并将在未来十年内扩展到更小和更遥远的行星。这些世界的可居住性可能会受到其三维大气环流制度的强烈影响，因为控制宜居带内外边缘的全球气候反馈，包括向雪球状状态的过渡和失控温室反馈，取决于赤道到极点的温差，相对湿度的模式以及动力学的其他方面。在这里，我们使用一个理想化的湿大气环流模式，包括水文循环，研究的动力学原理，这些行星上的大气动力学。我们展示了行星自转速率、恒星通量、大气质量、表面重力、光学厚度和行星半径是如何影响这些行星上的大气环流和温度分布的。我们的模拟表明，赤道到极点的温度差异，纬向热传输率，风的结构和强度，以及水文循环与这些参数的强烈变化，这意味着地球对全球气候反馈的敏感性将显着依赖于大气环流。我们阐明了可能的气候制度和诊断的机制控制大气急流的形成，哈德利和费雷尔细胞，和纬度的温度差异。最后，我们讨论了理解大气环流如何影响全球气候的影响。
2015-05-14 astro-ph.EP
Signatures of impact-driven atmospheric loss in large ensembles of exoplanets
University of Florida（佛罗里达大学）；Vanderbilt University（范德堡大学）
本研究通过N体模拟比较撞击与光致蒸发驱动的大气逃逸，揭示了通过凌日多重性诊断大气逃逸机制的新途径。
2022-08-15 astro-ph.EP
Bridging the Atmospheric Circulations of Hot and Warm Giant Exoplanets
本文对潮汐锁定的热态与暖态巨系外行星KELT-11b和WASP-39b进行高分辨率大气流动模拟，发现尽管两者平衡温度不同但动力学状态相似，均呈现定性相似的大气环流模式，定量差异源于Rossby变形尺度不同。
2025-05-02 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
Spin evolution of Earth-sized exoplanets, including atmospheric tides and core-mantle friction
质量在0.1 - 10 M地球之间的行星被认为拥有稠密的大气层。这些大气层在行星的自转演化中扮演着重要的角色，因为由主星驱动的热大气潮汐可能会抵消引力潮汐。在这项工作中，我们研究了地球大小的系外行星的长期自旋演化。我们推广了以前的工作，包括偏心轨道和双折射的影响。我们发现，在潮汐和核幔摩擦的影响下，行星的倾斜度演化为0或180度。这些行星的自转也会演化成数量非常有限的平衡构型。一般来说，这些平衡都与轨道平均运动不同步。热大气潮汐的作用对于地球大小的行星在其系统的宜居带中变得更加重要，因此当我们寻找其潜在的可居住性时，它们不能被忽视。
2014-08-04 astro-ph.EP
Tracing the Winds: A Uniform Interpretation of Helium Escape in Exoplanets from Archival Spectroscopic Observations
本研究利用p-winds模型统一分析档案氦三重态光谱数据，揭示系外行星大气逃逸受XUV通量与密度比控制，并约束光蒸发效率，为行星演化提供新见解。
2025-01-21 astro-ph.EP
A mirage of the cosmic shoreline: Venus-like clouds as a statistical false positive for exoplanet atmospheric erosion
JWST对类金星大气的近期研究有望推进我们对类地行星演化的认识。然而，对太阳系中金星的远程研究和正在进行的描述气态系外行星特征的努力都表明，高空气溶胶可能会限制对低层大气的观测研究，并可能使将系外行星识别为“类金星”变得具有挑战性。为了支持JWST外金星表征的实用方法，我们使用金星大气模型与七个TRAPPIST-1系外行星的自洽云形成来研究可以使用透射和发射光谱探测的大气深度。我们发现，JWST/MIRI LRS二次日食发射光谱在6 $μ$ m的不透明窗口可以探测至少一个数量级更深的压力比透射光谱，可能允许访问的两个热的最内层TRAPPIST-1行星的云下大气。此外，我们还发现了硫酸气溶胶的两个干扰效应，这可能对用透射光谱表征类地系外行星具有重要意义：（1）在产生观测光谱连续体时，云顶和固体表面之间存在模糊性;（2）云的形成区域沿半长轴高度下降，导致可观测云顶压力随恒星日照减少而增加。总之，这些影响可能会产生一种趋势，即在较低的恒星日照下观察到较厚的大气层-一个令人信服的大气逃逸假阳性和一个经验性的“宇宙海岸线”。然而，发展观测和理论技术来识别金星类系外行星，并将它们与恒星风吹世界区分开来，将使陆地比较行星学这一新兴领域取得进展。
2019-11-20 astro-ph.EP
Atmospheric Circulation of Terrestrial Exoplanets
对其他恒星周围行星的研究始于对气态巨星的研究，但现在正在扩展到超级地球和类地行星的发现和表征。基于这一观测潮，我们探讨了类地系外行星大气环流的基本动力学原理，并讨论了类地系外行星大气环流与水文循环和全球尺度气候反馈的相互作用。类地系外行星占据了广泛的物理和动力学条件，其中只有一小部分尚未被详细探索。我们的方法是列出控制类地行星上大气环流的基本动力学原理--广义的--并展示它们如何为理解这些世界的大气行为提供基础。我们首先调查基本的大气动力学，包括地转的作用，斜压不稳定性，并在强旋转制度（“外热带”）和哈德利环流的作用，波调整的热结构，并在缓慢旋转制度（“热带”）的赤道超旋转的趋势。然后，我们调查水文循环的关键要素，包括控制降水，湿度和云量的因素。接下来，我们总结了环流影响全球平均气候的关键机制，从而影响行星的可居住性。特别是，我们讨论了失控的温室效应，过渡到雪球状态，大气崩溃，以及大气环流和CO2风化率之间的联系。最后，我们总结了未来这一新兴领域的关键问题和挑战。
2013-06-11 astro-ph.EP
Earth as an Exoplanet. III. Using Empirical Thermal Emission Spectra as an Input for Atmospheric Retrieval of an Earth-twin Exoplanet
该研究将地球视作系外行星，结合经验热光谱与LIFE噪声模拟观测并开展大气反演，评估其识别温态宜居及生命指示信号的能力。
2024-05-13 astro-ph.EP
Atmospheric escape from exoplanets: recent observations and theoretical models
该综述系统总结了系外行星大气逃逸的观测证据与理论模型，指出恒星辐射及多种恒星环境因素与行星属性共同调控逃逸过程，并揭示其对行星大气演化和系外行星种群特征的重要影响。
2025-02-25 astro-ph.EP physics.plasm-ph
High-Resolution Transmission Spectroscopy of the Terrestrial Exoplanet GJ 486b
绕M矮星运行的类地系外行星是利用现有或不久的将来的仪器进行透射光谱学的有希望的目标。这些岩石行星的大气成分仍然是一个悬而未决的问题，特别是考虑到来自其宿主M矮星的高X射线和紫外线通量可以驱动大气逃逸。1.3 $R_\oplus$系外行星GJ 486 b（$T_{\rm{eq}} \sim$ 700 K），绕着一颗M3.5恒星运行，预计在已知的类地系外行星中具有最强的透射光谱信号。我们使用三台不同的高分辨率光谱仪观测了GJ 486 b的三次凌日：斯巴鲁望远镜上的IRD，双子座南望远镜上的IGRINS和加拿大-法国-夏威夷望远镜上的SPIRou。我们通过互相关方法从各种各样的分子物种中搜索大气吸收，但没有检测到任何稳健的大气信号。尽管如此，我们的观测是足够敏感的，以排除几个明确的大气场景通过注入和恢复测试，并扩展到陆地制度的比较系外行星学。我们的研究结果表明，GJ 486 b没有一个明确的H $_2$ /He为主的大气，也没有一个明确的100%的水汽大气。其他具有高平均分子量或H $_2$ /He为主的大气层的二次大气层与云仍然是可能的。我们的发现提供了进一步的证据，表明绕M矮星运行的类地行星可能会经历显著的大气损失。
2023-03-20 astro-ph.EP
The Precision of Mass Measurements Required for Robust Atmospheric Characterization of Transiting Exoplanets
TESS的两个主要科学目标是测量50颗小于4个地球半径的行星的质量，并发现高质量的大气特征目标。重要的是，这两个目标是通过量化质量约束的精度需要产生强大的行星大气特性。在这里，我们解决这个问题进行检索模拟JWST传输光谱的不确定性程度的行星的质量为代表的人口从地球到温暖的海王星热彗星的各种假设下。只有对于无云、低金属含量的气体巨星，我们才能仅从透射光谱推断系外行星的质量，准确率约为10%。对于低金属量的情况（<4xSolar），我们能够准确地限制大气特性，而无需事先知道行星的质量。对于所有其他情况（包括类地行星），大气性质只能以优于~ 50%的质量精度来推断。然而，在这个水平上，大气属性的后验分布的宽度由质量的不确定性决定。后验分布的宽度由光谱数据质量决定，精度约为20%。因此，作为经验法则，我们建议：初始大气特性的质量精度约为50%，更详细的大气分析的质量精度约为20%。
2019-09-30 astro-ph.EP
Reconstructing Atmospheric Parameters of Exoplanets Using Deep Learning
Politecnico di Torino（都灵理工大学）
本文提出一种基于深度学习的多目标概率回归方法，用于高效提取系外行星的大气参数，克服计算限制并提升分析效率。
2023-10-02 astro-ph.EP cs.LG
Exoplanet Atmospheric Refraction Effects in the Kepler Sample
本文利用开普勒光变曲线分箱技术探测系外行星大气折射效应，发现周期-半径谷上方的行星存在折射证据，但光学薄H/He大气并不常见，可能因云霾衰减所致。
2025-07-02 astro-ph.EP
Combined Exoplanet Mass and Atmospheric Characterization for Accelerated Exoplanetology
本文提出在小型JWST大气探索项目中联合测定系外行星质量与表征大气，以减少径向速度资源并加速有利目标的大气研究。
2025-09-29 astro-ph.EP astro-ph.IM
A Catalogue of Exoplanet Atmospheric Retrieval Codes
系外行星大气反演是一种广泛应用于从遥感光谱观测中反演行星大气性质的计算技术。检索代码通常采用贝叶斯采样算法或机器学习方法来探索大气特性的范围（例如，化学成分、温度结构、气溶胶）与所观察到的光谱相容。然而，尽管系外行星检索技术被广泛采用，但目前文献中还没有系外行星检索代码的系统总结。在这里，我们提供了一个目录的大气检索代码出版的日期，旁边的链接到各自的代码库。我们的目录将通过Zenodo档案库不断更新。
2023-03-22 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Case and Context for Atmospheric Methane as an Exoplanet Biosignature
甲烷被认为是系外行星的生物特征。詹姆斯·韦伯太空望远镜即将进行的观测可能会使甲烷探测到潜在的宜居系外行星，因此必须评估甲烷在什么样的行星环境中是一个令人信服的生物特征。甲烷在类地行星大气中的短光化学寿命意味着丰富的甲烷需要大的补充通量。虽然甲烷可以产生的各种非生物机制，如放气，serpentinizing反应，和影响，我们认为，与地球一样的生物圈，已知的非生物过程不能轻易地产生大气中丰富的CH $_4$和CO $_2$有限的CO由于CH $_4$和CO $_2$之间的氧化还原不平衡。因此，甲烷更有可能是生物成因的行星1）地球的体积密度，高平均分子量和缺氧的气氛，和一个老的主恒星; 2）丰富的CH $_4$，这意味着表面通量超过了可以提供的非生物过程;和3）大气CO $_2$与相对较少的CO。
2022-04-08 astro-ph.EP
Atmospheric Circulation and Thermal Phase-Curve Offset of Tidally and Non-Tidally Locked Terrestrial Exoplanets
利用一个理想化的大气环流模式，我们研究了类地类地行星在各种轨道构型下的大气环流。我们放松的共同假设的行星被潮汐锁定，并期待在大气动力学的作用，可以在所观察到的热相位曲线时，亚恒星点是不稳定的。在缓慢旋转的行星中，移动的强迫可以在对流层上层引起强烈的喷流，无论是逆行还是逆行，对周日强迫的速度和方向都很敏感。我们发现，与以前的浅水模型实验相一致，热相位曲线偏移是敏感的亚恒星点移动的速度在行星表面。对于一颗轨道周期已知的行星，结果表明，观测到的热点可能位于亚恒星点的东边或西边，这取决于行星是否被潮汐锁定。
2018-07-16 astro-ph.EP
Assessment of a Physics-based Retrieval of Exoplanet Atmospheric Temperatures from Infrared Emission Spectra
本文提出基于Chahine松弛法和权重函数波数-高度映射的物理反演方法，从类地系外行星热红外发射光谱中快速估算中层大气温度，并验证了在低信噪比和中等分辨率下的可行性。
2023-05-31 astro-ph.EP
Windows Into Other Worlds: Pitfalls in the physical interpretation of exoplanet atmospheric spectroscopy
该研究针对系外行星大气光谱物理解释中的三个常见认知误区展开探讨，明确了光谱在大气成分、云层判定等方面的局限，并探讨了遥感在系外生命搜寻中的应用价值。
2024-06-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
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
Integrating light-curve and atmospheric modelling of transiting exoplanets
光谱反演技术是目前解释观测到的系外行星大气数据的最佳工具。所述技术通过识别与观察到的透射/发射光谱的最佳拟合来检索最佳大气成分和参数。在过去的十年中，我们对银河系中遥远世界的了解蓬勃发展，这要归功于日益复杂的光谱检索技术的使用以及从事系外行星大气模型工作的社区的集体努力。预计新一代空间和地面仪器将在未来十年提供更高质量的数据，因此，至关重要的是升级现有模型，提高其可靠性、完整性和运行的数值速度。在本文中，我们解决的问题的可靠性所提供的检索模型的存在下，系统学的起源不明的结果。更具体地说，我们证明，如果我们直接拟合个人的光曲线在不同的波长（L-检索），而不是拟合过境或日食深度，因为它是目前所做的（S-检索），所获得的结果是更强大的对天体物理和仪器噪声。这种新的方法进行了测试，特别是，当不一致的模拟观测HST/WFC 3和斯皮策/IRAC相结合。我们发现，虽然S-检索收敛到一个不正确的解决方案，没有任何警告，L-检索能够识别数据集之间的潜在差异。
2020-10-19 astro-ph.EP
The role of planetary interior in the long-term evolution of atmospheric CO2 on Earth-like exoplanets
内容：长期的碳酸盐-硅酸盐循环在地球气候演化中起着重要作用，因此，也可能是类地系外行星气候演化的重要机制。目的：我们研究了辐射成因地幔加热、地核大小和行星质量对大气$CO_2$分压演化的影响，以及板块构造驱动的长期碳循环控制大气$CO_2$分压的能力。方法：我们开发了一个箱模型，将碳循环与参数化的地幔对流联系起来。碳循环耦合到热演化通过板块速度，这取决于全球瑞利数。结果：我们发现大气$CO_2$压力随时间降低，最高可达10 Gyr以上的数量级。放射性同位素的丰度越高，导致$CO_2$压力越高。我们发现一个减小的瑞利数和板块速度朝向行星与较大的核心质量分数$f_c$，这导致较低的大气$CO_2$压力。由于内部温度较高，质量较大的行星可能有利于形成更多的$CO_2$丰富的大气层。结论：板块构造对地幔冷却的依赖性对大气$CO_2$压力的长期演化有重要影响。碳循环介导的板块构造是有效地调节行星气候的地幔放射性同位素丰度，行星质量和核心大小的广泛范围。在钍或铀地幔丰度高的行星上更有效的碳循环突出了绘制这些元素在潜在宜居系外行星的宿主恒星中的丰度的重要性。核心质量分数（$f_c\gtrsim 0.8$）较大的行星上碳循环效率低下，这强调了对地球大小的系外行星进行精确质量半径测量的重要性。
2021-03-17 astro-ph.EP
Weak Seasonality on Temperate Exoplanets Around Low-mass Stars
具有非零曲率和/或轨道偏心率的行星在当地纬度经历恒星辐射的季节性变化。大气响应的程度可以通过轨道时间尺度与大气辐射时间尺度之间的比率来粗略估计。给定一组大气参数，我们表明，这一比例主要取决于恒星的性质，是独立的轨道距离和行星的平衡温度。对于类彗星的大气层，这个比值是$\ll1$（对于质量非常低的M矮星）和$\gtrsim1$（当恒星质量大于0.6太阳质量时）。复杂情况可能由各种因素引起，包括不同的大气金属含量、云和大气动力学。考虑到离心率和双折射率，对于低质量恒星周围的气态系外行星，季节性响应预计会系统性地较弱，而对于大质量恒星周围的气态系外行星，季节性响应则会较强。利用理想化的解析模型，对大气季节变化的振幅和相位滞后随宿主恒星质量的变化进行了定量分析。在光球层的红外辐射水平上，热通量和温度扰动的相对幅度可以忽略不计，它们的相位滞后接近于极低质量恒星周围的类彗星行星的$-90^{\circ}$。相对振幅和相位滞后随着恒星质量的增加而逐渐增大。对于特定的恒星质量，相对振幅和相位滞后从低到高的红外光学厚度减小。我们还提出了数值计算更好地说明的季节性行为。最后，我们讨论了大气环流和未来的大气表征系统中的系外行星与不同的恒星质量的影响。
2022-03-20 astro-ph.EP
Effects of planetary mass uncertainties on the interpretation of the reflectance spectra of Earth-like exoplanets
本研究使用贝叶斯反演框架ExoReL$^\Re$探讨行星质量不确定性对类地系外行星反射光大气表征的影响，发现质量不确定性在10%以内可准确反演含云大气参数，否则会导致主要气体误判并影响宜居性评估。
2025-02-03 astro-ph.EP
Atmospheric Supply of Hydrogen Cyanide Is Not the Rate-limiting Step for Prebiotic Chemistry across Rocky Exoplanets
The University of Edinburgh（爱丁堡大学）；University of Bern（伯尔尼大学）
研究通过大气化学模型比较了气态氢氰酸向温湿池的输送效率，发现其在类地行星上普遍高于陨石输送，且受C/O比、轨道半长轴等因素影响，但并非前生命化学反应的速率限制步骤。
2026-04-16 astro-ph.EP
Interior convection regime, host star luminosity, and predicted atmospheric CO2 abundance in terrestrial exoplanets
本研究通过耦合地质与大气模型模拟两种地幔对流状态下类地行星的演化，发现两类行星宜居气候占比相近，但可通过探测25颗行星的CO₂丰度（>0.1 bar）以高置信度推断主导对流状态，为未来空间望远镜任务设计提供参考。
2024-12-10 astro-ph.EP
Rapid escape of ultra-hot exoplanet atmospheres driven by Hydrogen Balmer absorption
大气逃逸是解释我们太阳系及其他行星长期演化的关键，也是解释大气测量结果的关键。流体动力学逃逸通常被认为是由行星从其宿主恒星接收的极紫外光子通量驱动的。在这里，我们表明，逃离行星绕热恒星的收益通过一个不同的，但互补的过程：从强烈的近紫外线辐射的恒星，是在光学薄，高海拔大气层的氢激发到较低的状态的巴耳末系沉积其能量。超热的系外行星KELT-9 b可能代表了这种Balmer驱动的逃逸的第一个已知实例。在这种流体动力逃逸的情况下，恒星的近紫外辐射在确定行星质量损失方面比极紫外辐射更重要，而极紫外辐射的不确定性变得不那么重要。此外，我们预测，热恒星周围的气体系外行星可能会经历灾难性的质量损失，当它们的质量小于1- 2木星质量，并且比KELT-9 b更接近时，从而挑战所有大型系外行星对大气逃逸稳定的范式。我们认为，极端逃逸将影响近距离绕热恒星运行的系外行星的人口统计。
2019-10-01 astro-ph.EP
Inferring Exoplanet Disequilibria with Multivariate Information in Atmospheric Reaction Networks
从大气层推断系外行星的性质，同时在我们想要获得的量的背景下面临低分辨率和低信噪比，这对从观测中收集的数据提出了严格的要求。进一步加剧这一挑战的是，对系外行星性质的推断是根据前向模型建立的，其中可能包括由于大气物理和化学中不完整或不准确的假设而产生的误差。观测噪声和模型误差的汇合使得开发技术来识别对低信噪比和模型误差都具有鲁棒性的预测特征对于系外行星科学越来越重要。我们演示了如何利用未充分利用的多元信息，已经存在于当前的大气模型，包括热力学统计和反应网络结构，可以同时解决这两个问题。要做到这一点，我们提供了一个案例研究的预测垂直混合（参数化的涡流扩散）在热木星大气中，并显示预测效果如何取决于什么样的模型信息使用-例如，化学物种丰度，网络统计，和/或热力学统计。我们还展示了最具预测能力的变量如何随行星性质（如温度和金属丰度）而变化。我们的研究结果表明，建立在单一指标上的推断在所有可能的用例中都没有实用性。我们还展示了来自网络分析的统计指标如何在考虑数据缺失或观测不确定性的可能性时成为更好的预测因子。我们讨论了未来的发展方向，应用多元和网络模型信息作为一个框架，以增加信心的推断，旨在提取有关系外行星的大气和未来的应用程序，以探测地球上的生命。
2021-04-21 astro-ph.EP
Understanding what helium absorption tells us about atmospheric escape from exoplanets
本研究构建结合 Parker 风与能量受限外流的氦吸收理论模型，自洽关联质量损失率和温度，提出以标度化等值宽度量化大气逃逸。
2025-01-10 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
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
Impact of planetary mass uncertainties on exoplanet atmospheric retrievals
在目前用于解释系外行星大气观测的模型中，行星质量被视为先验，并通过外部方法（如RV或TTV技术）独立估计。这种方法是必要的，因为现有的光谱数据没有足够的波长覆盖范围和/或SNR来推断行星质量。在这里，我们研究质量的不确定性对光谱反演分析的大气情景主机的影响。我们的方法是分析和数值：我们首先使用简单的近似提取分析的影响，每个参数的波长依赖的过境深度。然后，我们采用一个完全贝叶斯反演模型来量化传播的质量不确定性到其他大气参数。我们发现，对于晴朗的天空，气态大气的后验分布是相同的质量是已知的或检索。在波长覆盖范围和信噪比足够的条件下，反演质量的精度可达10%以上。当不透明云包括在模拟中时，反演质量的不确定性增加，特别是对于高海拔云。然而，大气参数，如温度和微量气体丰度不受质量知识的影响。由于大气主要成分的自由度更高，二次大气更具挑战性，这是未知的。对于宽的波长范围和足够的SNR，质量仍然可以准确和精确地检索，如果云不存在，所以是所有其他的大气/行星参数。当云被添加，我们发现，质量的不确定性可能会影响实质上的平均分子量的检索：一个独立的质量表征，因此将有助于捕获/确认的主要大气成分。
2020-10-09 astro-ph.EP
Haze Evolution in Temperate Exoplanet Atmospheres Through Surface Energy Measurements
光化学雾是温带系外行星大气中重要的不透明度来源，阻碍了目前观测表征系外行星大气成分。大气的浑浊程度取决于霾的产生和消除之间的平衡。然而，在系外行星条件下，霾粒子的物质依赖性去除物理学目前尚不清楚。在这里，我们提供了实验测量的表面能的温带系外行星烟雾的网格来表征在系外行星大气中的烟雾去除。我们发现，在不同的能源，大气成分和温度下产生的霾的表面能的大的变化。的雾的表面能被发现是最低的冷等离子体样品的400 K左右，导致最低的去除率。我们显示了一个暗示性的相关性，霾表面能和大气浑浊与行星平衡温度。我们假设，宜居带系外行星可能不那么模糊，因为它们拥有高表面能量的薄雾，可以有效地去除。
2021-07-15 astro-ph.EP
Atmospheric Collapse and Habitability on Tidally-Locked Exoplanets
Earth-Life Science Institute, Institute of Science Tokyo（地球生命研究所，东京科学大学）；Department of Earth and Planetary Sciences, Institute of Science Tokyo（地球行星科学系，东京科学大学）；Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL, CNRS, Sorbonne Université, Ecole Normale Supérieure, PSL Research University, Ecole Polytechnique（气象动力学实验室/IPSL，法国国家科学研究中心，索邦大学，巴黎高等师范学院，PSL研究大学，巴黎综合理工学院）；Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS（波尔多天体物理实验室，波尔多大学，法国国家科学研究中心）；Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，地球与行星物理学研究所）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）
研究发现，大气坍缩可能通过削弱温室效应和昼夜热传输，反而有助于维持潮汐锁定行星上的液态水。
2026-03-10 astro-ph.EP
How uncertainties on stellar atmospheric parameters impact exoplanet studies?
系外行星的性质取决于宿主恒星的特征。例如，恒星大气参数（即，有效温度、表面重力和总金属量），以利用演化恒星模型或经验校准来推导恒星质量和半径。我研究了恒星的不确定性如何影响行星特征的确定。通过使用高分辨率光谱和iSpec，我评估了两种不同光谱方法（等效方法和合成光谱拟合技术）之间的差异如何显著影响恒星半径估计，从而影响系外行星半径及其可能的化学成分。
2017-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
Early Insights for Atmospheric Retrievals of Exoplanets using JWST Transit Spectroscopy
我们已经进入了詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的时代。我们使用NIRSpec仪器在3-5 $μ$ m范围内获得的热土星质量系外行星WASP-39 b的第一个JWST透射光谱来研究（a）该光谱范围内JWST质量数据可能存在哪些大气约束，（b）对检索中使用的大气模型的要求，（c）数据简化管道之间的差异对检索的大气属性的影响，以及（d）JWST在3-5 $μ$ m范围内的数据与HST在较短波长的观测之间的互补性。在3-5 $μ$ m范围内的JWST光谱为化学探测提供了一个有希望的途径，同时包含了几个突出的气溶胶的云不透明度窗口。我们证实了最近的推断CO $_2$，SO $_2$，H $_2$ O，和CO在WASP-39 b，H $_2$ S报告的初步证据，并检索元素丰度与土星的金属丰度一致。我们检索分子丰度与$\sim$ 0.3-0.6 dex精度与此相对有限的光谱范围。当单独考虑3-5 $μ$ m数据时，报告的不同还原管道的光谱差异可能会影响丰度估计值，最高可达$\sim$ 1 dex，并影响不太突出的物种的可检测性。与较短波长的数据相补充，例如与其他JWST仪器或HST WFC 3（$\sim$ 0.8-1.7 $μ$ m）相补充，可以大大提高丰度估计的准确性和精确度。高质量的数据使得能够限制气溶胶特性，包括其组成，模态大小和范围，激发他们在检索中的考虑。我们的研究结果突出了JWST…
2023-01-06 astro-ph.EP
Atmospheric characterization of directly imaged exoplanets with JWST/MIRI
詹姆斯·韦伯太空望远镜上的中红外仪器（MIRI）将首次通过在5-28微米光谱范围内直接成像观察年轻的巨型系外行星。这个波长范围对于确定已知冷系外行星的热光度和访问最强的氨带都是关键。与较短波长的观测相结合，中红外成像仪将能够更准确地描述系外行星的大气特性。在这里，我们认为目前已知的系外行星直接成像检测的子样本，我们讨论他们的可探测性与MIRI，无论是使用日冕或光谱模式。通过使用Exo-REM大气模型，我们计算了14颗系外行星的中红外发射光谱，并模拟了MIRI日冕或光谱观测。具体来说，我们分析了四个日冕观测设置，这取决于（i）目标星和参考星的偏移（0，3，14 mas），（ii）波前误差（130，204 nm rms），（iii）望远镜抖动幅度（1.6，7 mas）。然后，我们确定的信号噪声和积分时间值的日冕目标，其行星到恒星的对比度范围从3.9至10.1马格。我们得出结论，所有的MIRI目标应观察到不同程度的困难，这取决于最终的飞行中的仪器性能。此外，我们还测试了最冷目标大气中氨的检测。最后，我们提出的HR 8799 b的情况下，讨论MIRI观测可以带来的知识的行星大气，无论是单独或结合较短的波长观测。
2018-10-01 astro-ph.EP
Characterizing the Atmospheres of Irradiated Exoplanets at High Spectral Resolution
迄今为止，最具特征的系外行星是围绕其宿主恒星运行的近距离凌日轨道上的行星。这些物体的高辐射水平和过境几何形状使它们成为大气调查的理想目标。然而，目前许多望远镜的孔径都很小，只能观测到凌日行星的低分辨率光谱，无法提取其大气层的关键物理和化学性质。地面30米级望远镜将为我们对系外行星大气层的理解带来实质性飞跃。我们概述了一个双管齐下的调查，最近提交了美国ELT的一个关键科学项目（KSP），这将通过与GMT和TMT的联合观测，对近距离系外行星的大气层产生前所未有的洞察力。(1)第一个机会涉及测量全球尺度的大气环流和行星旋转的40个热彗星的样本，以收集洞察独特的辐射强迫制度管理高度辐射，潮汐锁定的巨行星。(2)第二个机会涉及测量大气质量损失和提取大气成分和丰度比信息的$\sim60$亚海王星和超级地球（包括候选解体行星），以约束其形成和演化历史。高光谱分辨率仪器和ELT大孔径尺寸的无与伦比的组合将使这些努力成为可能。这一调查将有助于对太阳系外巨行星的大气环流进行第一次统计研究，并将提供对小行星大气中痕量气体的探测和对大气逃逸的测量，这远远超出了\textit{JWST}的范围。
2019-03-21 astro-ph.EP
Helium Atmospheres on Warm Neptune- and Sub-Neptune-Sized Exoplanets and Applications to GJ 436 b
温暖的海王星和次海王星大小的系外行星在轨道小于水星的被认为经历了广泛的大气演变。在这里，我们提出，这种大气演变的一个潜在结果是形成氦为主的大气。海王星和次海王星大小的系外行星的流体动力学逃逸率与氢的扩散限制逃逸率相当，因此逃逸受到氢和氦之间扩散分离的严重影响。因此，氦大气层可以从原始的氢-氦大气层通过大气流体动力学逸出行星而形成。氦气氛中的主要碳和氧物种的丰度与氢气氛中的非常不同，导致独特的透射和热发射光谱特征。特别是，氦主导大气的假设可以解释GJ 436 b的热发射光谱，这是一颗温暖的海王星大小的系外行星，同时也与透射光谱一致。该模型大气含有微量的氢、碳和氧，其中CO比CH 4占优势，是碳的主要形式。利用我们的大气演化模型，我们发现如果初始大气包层质量为1 E-3行星质量，流体动力逃逸可以在~ 100亿年内使大气中的氢丰度降低几个数量级。因此，对系外行星凌日的观测可能会探测到氦大气的特征，并探索小型系外行星的演化历史。
2015-05-09 astro-ph.EP
Expanding the inventory of spectral lines used to trace atmospheric escape in exoplanets
本研究针对系外行星大气逃逸观测中谱线示踪剂有限、难以得出明确结论的问题，提出流体动力学逃逸大气透射光谱建模新框架，预测不同类型系统的多波段光谱并识别新示踪谱线，助力更好地约束大气外流特性。
2023-06-12 astro-ph.EP
