类地系外行星中富氢外大气层的可观测性

（删节版）小型行星周围存在延展的中性氢外大气层可作为其低层大气中存在水的证据，但迄今为止，此类特征尚未在岩质系外行星中被确切探测到。行星外大气层可利用莱曼-$\alpha$ 线的凌星光谱进行观测，其主要受限于谱线核心处的星际介质吸收，以及使用低轨道空间望远镜时来自地球日冕的气辉污染。我们的目标是评估利用莱曼-$\alpha$ 光谱探测凌近邻 M 矮星的类地行星的中性氢外大气层的可探测性，并提供必要策略以指导未来观测。上层大气的空间分布由地球日冕的经验模型给出，我们假设以辐射压为主要驱动 shaping 外大气层的速度分布。我们计算了凌星期间恒星莱曼-$\alpha$ 线中的额外吸收，并利用对观测中涉及不确定性的实际估计来确定信号的可观测性。我们发现，凌 M 矮星（半径介于 0.1 和 0.6 R$_\odot$ 之间）的类地系外行星的外大气层在莱曼-$\alpha$ 中的信号产生 50 至 600 ppm 的额外吸收。由于星际介质吸收，恒星的莱曼-$\alpha$ 流量随距离呈指数衰减，这是主要的可观测性限制。其他限制与恒星径向速度和仪器设置有关。利用 LUVOIR/LUMOS，莱曼-$\alpha$ 中的额外吸收在距离至多 $\sim$15 pc 的 M 矮星中是可观测的。对注入噪声数据的分析表明，有可能在 20 次凌星内探测到凌 TRAPPIST-1 的类地行星的外大气层。