TRAPPIST-1 行星系统的演化气候与观测判别特征

TRAPPIST-1 行星系统为利用詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）与地面天文台研究类地系外行星演化提供了前所未有的机遇。由于 M 矮星行星很可能经历极端的挥发性物质流失，TRAPPIST-1 行星可能具有高度演化、甚至可能不宜居的大气。我们采用一个通用的、带逐线辐射传输与混合长对流（VPL Climate）的一维类地行星气候模型，耦合类地光化学模型，模拟 TRAPPIST-1 行星的环境状态。我们给出了具有自洽大气组成的平衡气候，以及失控温室后、干燥、10–100 bar 以 O2 和 CO2 为主（含内部脱气）以及富水组成大气的观测判别特征。我们的模拟展示了广泛的地表温度范围，其中多数不宜居，尽管在类地地质脱气与 CO2 条件下，水行星 TRAPPIST-1 e 可维持温和地表。我们发现干燥的 TRAPPIST-1 h 在最大温室距离之外也可能产生宜居地表温度。这些大气在透射与发射光谱中的潜在观测判别特征受光化学过程与气溶胶形成影响，包括碰撞诱导氧吸收（O2-O2），以及 O3、CO、SO2、H2O 和 CH4 吸收特征，凌星信号可达 200 ppm。我们模拟的透射光谱与 TRAPPIST-1 行星的 K2、HST 和 Spitzer 观测一致。对于若干类地大气组成，我们发现 TRAPPIST-1 b 不太可能产生气溶胶。这些结果可为 JWST 对 TRAPPIST-1 系统及其他 M 矮星类地行星的观测规划与数据解读提供依据。