利用地基高色散光谱探测系外行星大气中的同位素体

互相关是一种经过充分验证的系外行星表征方法。一个新的、潜在强大的应用是大气同位素比的测量。特别是D/H可以给出关于行星形成与演化的独特见解。本文旨在研究系外行星高色散光谱中同位素体的可探测性，确定最佳波长范围，并预测当前及未来地基仪器所需观测工作量。我们通过自洽地模拟宽温度范围内系外行星大气，生成了高色散(R=10$^5$)热发射(有时为反射)光谱。这些光谱用等效于VLT或ELT的望远镜进行合成观测，并用互相关分析，得出 $^{13}$CO、HDO和CH$_3$D探测的S/N预测。对于最佳可观测系外行星，$^{13}$CO处于当前望远镜可测范围。它将在2.4微米处最有利地被探测到，恰长于文献中若干高色散观测所探到的光谱范围。CH$_3$D可在4.7微米最佳观测，对 $T_{\rm equ}$ 低于600 K的行星需使用40米级望远镜。此时天空发射常主导噪声。HDO可在3.7微米处观测，天空发射较小。40米级望远镜可在 $T_{\rm equ}$ 低于900~K的行星中探测到它，在甲烷quenching情形下甚至8米级望远镜也可能。若Proxima Cen b富水，HDO可在反射光下用ELT于一夜间探测到。同位素体很快将成为系外行星表征工具之一。测量D/H及其他同位素比可成为ELT上METIS仪器的首要科学目标，尤其对邻近岩质与冰巨星行星。这能为其冰富集历史与大气逃逸提供独特见解。