利用极大望远镜高对比度成像与中分辨率光谱探测邻近岩质系外行星的生物标志

在未来几十年中，系外行星科学的主要目标之一是在宇宙中搜寻宜居行星和地外生命迹象。生命迹象可由类地行星大气的热动力学不平衡指示。现代地球大气中的O$_2$和CH$_4$即是此类迹象，通常称为生物标志。这些系外行星大气中的生物标志有可能通过未来极大望远镜（ELT）上的高对比度成像仪器探测到。为量化使用ELT的信噪比（$S/N$），我们选取多达10颗邻近岩质行星，并使用中红外ELT成像仪与光谱仪（ELT/METIS，3-5.6 $\mu$m）以及高角分辨率单片光学与近红外积分场光谱仪（ELT/HARMONI，0.5-2.45 $\mu$m）模拟这些行星的中分辨率（R $\sim$ 1000）直接成像。我们计算了包括CH$_4$、O$_2$、H$_2$O和CO$_2$在内的生物标志探测的$S/N$。我们的结果显示GJ 887~b具有最高的生物标志探测$S/N$，而Proxima Cen b在ELT/METIS直接成像目标中表现出唯一可探测的CO$_2$。我们还研究了TRAPPIST-1系统，即邻近凌星岩质行星系统的典型，并比较了JWST凌星光谱与ELT/HARMONI直接光谱的生物标志探测$S/N$。我们的发现表明，对于探测和表征诸如TRAPPIST-1这样距离相对更远且角分离更小的凌星行星系统，JWST比ELT/HARMONI更合适。