利用中红外高分辨率光谱探测温带类地系外行星的大气分子

受中红外（MIR）范围高色散光谱仪发展的推动，我们研究它们对邻近 M 型恒星周围非凌星温带类地行星的大气表征应用。我们考察了在 12-18 $\mu$m 的高分辨率行星热发射光谱中 CO$_2$、H$_2$O、N$_2$O 和 O$_3$ 的可探测性，假设类地轮廓和简化热结构。此类行星的分子线宽可媲美或宽于由行星轨道运动引起的多普勒位移。鉴于可能难以足够精确地获知宿主恒星的高分辨率 MIR 光谱，我们提议在两个方照相位观测目标系统，并提取差分光谱作为行星信号。在此情况下，与宿主恒星光谱完全已知的情形相比，信号会被显著抑制，因为部分光谱特征不会保留在差分光谱中。尽管存在这种自减，邻近（$\lesssim$ 5~pc）的具中/晚 M 宿主恒星系统其 CO$_2$ 和 H$_2$O 特征用 6.5 米级低温望远镜是可行的，并且对其中部分系统还可约束轨道倾角。对于 1~bar 类地大气中的 CO$_2$ 和 N$_2$O，当混合比为 1-10$^3$ ppm 时该方法敏感。除 O$_3$ 外，分子的可探测性在光谱分辨率高于 $\mathcal{R}\gtrsim 10,000$ 时未显著改善，尽管对轨道倾角的约束有所改善。本研究提供了一些基准情形，有助于评估 MIR 高分辨率光谱在潜在宜居行星表征方面的价值。