探测系外地球上的氧气、水和叶绿素的前景

寻找并表征邻近类地行星的目标推动了许多 NASA 高对比度旗舰任务概念的发展，其中最新的是先进大口径空间望远镜（ATLAST）。在本文中，我们计算了最佳光谱分辨率 $R=\lambda/\delta\lambda$ 和每个光谱波段的最低信噪比（SNR），这是高对比度空间任务的两个核心设计要求，旨在探测地球孪生星上的水、氧气和叶绿素特征。我们首先开发了一个最小参数模型，并证明了其拟合合成及观测地球光谱的能力；这使我们能够测量每个组分存在的统计证据。我们发现水最容易探测，所需分辨率 $R \gtrsim 20$，而氧气的最佳分辨率可能更接近 $R = 150$，略高于文献中的典型值。在这些分辨率下，探测氧气所需的 SNR 约为水的 2 倍。对于地球孪生星，探测叶绿素所需的 SNR 约为氧气的 6 倍，仅在低云量和/或大植被覆盖分数的情况下，其可探测性才会降至与氧气相当的水平。这表明任务设计应针对氧气敏感性，并采用分层观测策略：首先 targeting 水，然后在更有利的行星上探测氧气，最后仅在最有望的世界中探测叶绿素。