系外行星发射光谱中的分子可探测性

在最近发现的众多环绕遥远恒星运行的世界中，人们对其化学组成知之甚少。随着新的凌星光谱学和直接成像设施的到来，分子可探测性作为信噪比 (SNR)、光谱分辨本领和行星类型的函数已成为关键问题。在本文中，我们研究了一系列行星类型大气中关键分子的可探测性，并报告了在固定光谱分辨本领和 SNR 下的最小可探测丰度。所考虑的行星类型——热木星、热超级地球、温海王星、温带木星和温带超级地球——涵盖了当前或不久的将来可表征的大多数系外行星。我们关注关键的大气分子，如 CH4、CO、CO2、NH3、H2O、C2H2、C2H6、HCN、H2S 和 PH3。我们使用两种方法评估这些分子的可探测性：一是简单测量信号相对于连续谱的偏差，二是通过在整个光谱（从 1 到 16$\mu m$）上使用似然比检验来估计探测的置信水平。我们发现，对于大多数行星情况，在分辨率 R=300 ($\lambda < 5\mu m$) 和 R=30 ($\lambda > 5\mu m$) 下，SNR=5 足以探测最丰富分子的最强光谱特征，而介于 10 到 20 之间的 SNR 可以揭示丰度为 10^-6 或更低的大多数分子，且通常在多个波长处。我们通过探索对垂直热廓线、大气平均分子量和相对水丰度等参数的敏感性来测试结果的稳健性。我们发现，除最极端的情况外，我们的主要结论仍然有效。我们的分析表明，即使在低 SNR 和低光谱分辨本领下，探测各类系外行星大气中的关键分子也在现实可达的范围内。