通过多相位观测约束直接成像系外行星的半径与大气性质

遥感理论表明，在多个相位角（$\alpha$）下观测行星是表征其大气的有效策略。在此，我们分析了系外行星反射星光光谱中包含的信息如何依赖于相位角，以及多相位测量在更好地约束大气性质和行星半径（$R_p$）方面的潜力。我们模拟了 $\alpha$=37$^\circ$、85$^\circ$ 和 123$^\circ$ 处的光谱（500-900 nm），光谱分辨率 $R$~125-225，信噪比 $S/N$=10。假设存在 H$_2$-He 大气，我们使用了一个包含大气甲烷丰度（$f_{CH_4}$）、云层光学性质和 $R_p$ 的七参数模型。所有这些参数均假设为先验未知，并使用 MCMC 反演方法进行探索。我们发现，单相位观测无法稳健地识别大气中是否存在云。在 $\alpha$=123$^\circ$ 和 $S/N$=10 下的单相位观测可以将 $R_p$ 约束在最大 35% 的误差范围内，且不受云覆盖率的影响。结合小（37$^\circ$）和大（123$^\circ$）相位角是打破多参数简并的普遍有效策略。这使得在所有探索的场景中都能确定云的存在与否及其主要性质、$f_{CH_4}$ 和 $R_p$。其他策略，如将单相位观测的 $S/N$ 提高一倍至 20，或结合小（37$^\circ$）和中（85$^\circ$）相位角，均无法实现这一目标。我们表明，多相位反演的改进与云气溶胶散射相函数的形状有关，且对于各向同性散射气溶胶，改进较为有限。最后我们讨论指出，在超级地球观测的反演中误认背景气体会导致对吸收气体丰度的系统性低估。